2. Безмашинні сеу

У безмашинних сонячних енергетичних установках енергія сонячного випромінювання піддається прямому перетворенню в електричну енергію, без проміжного переходу в механічну. Для прямого перетворення не потрібні турбіни і електрогенератори.

Термоелектричні перетворювачі

У основі прямого перетворення теплової енергії сонячного випромінювання в електрику лежить ефект Зєєбека, відкритий в 1821 році. Якщо спаяти кінцями два провідники різного хімічного складу і помістити спаї в середовища з різними температурами, то між ними виникає термо-ЕДС:

,

де - абсолютна температура гарячого спаю,

- абсолютна температура холодного спаю,

- коефіцієнт пропорційності.

У ланцюзі провідників виникає струм, причому гарячий спай за секунду поглинає теплоту з нагрітого джерела в кількості , а холодний спай віддає теплоту низькотемпературному тілу в кількості . Різниця підведеної і відведеної теплоти складає секундну роботу струму

,Вт.

Відношення роботи до підведеної теплоти є термічний ККД процесу перетворення

. (3.1)

Таким чином, ККД ідеального термоелектричного перетворювача збігається з термічним ККД циклу Карно і повністю визначається абсолютними температурами гарячого і холодного спаїв. У реальних перетворювачах мають місце безповоротні втрати через електричний опір провідників, їх теплопровідність і термічний опір теплообміну спаїв з довкіллям. Тому дійсний ККД установки рівний

(3.2)

де < 1 - відносний електричний ККД перетворювача (названий так по аналогії з відносним внутрішнім ККД турбіни, що враховує безповоротні втрати на дроселювання).

При використанні металевих термоелектродів ККД термоелектричних перетворювачів дуже малий - не перевищує сотих доль відсотка. У 1929 р. А.Ф.Іоффе показав, що значний ефект дає вживання напівпровідників - ККД зростає до величини порядка 10%. У сучасних термоелектричних генераторах напівпровідникові термоелементи, в яких «гарячі» спаї нагріваються сонячними променями, сполучені послідовно. Такого роду генератори застосовуються як автономні джерела електроенергії для споживачів малої потужності - маяків, морських сигнальних буїв і тому подібне.

Фотоелектричні перетворювачі

У основі установок цього типа лежить принцип вибивання електронів з напівпровідникових матеріалів світловими квантами. Промениста енергія перетвориться в електричну. У сучасній сонячній енергетиці широко застосовуються напівпровідникові перетворювачі з хімічно чистого кристалічного кремнію. Кремній - широко поширений в земній корі елемент; пісок, кварц - це діоксид кремнію SiО₂. Виробництво чистого кремнію в кінці XX століття дало можливість налагодити випуск ряду напівпровідникових приладів, зокрема процесорів для сучасних комп'ютерів. Високотехнологічні наукоємкі виробництва в США зосереджені в «силіконовій» (кремнієвій) долині в штаті Каліфорнія. Створення сонячних енергоджерел входить в програми таких найбільших світових концернів, як Сіменс, Соні, Хітачі. Лідерами в області сонячної енергетики на кремнієвих перетворювачах є США, Німеччина, Данія, Японія, Швейцарія. Вартість кремнієвих фотоелектричних перетворювачів за останніх 40 років знизилася в 40 разів, 1 кВт встановленої потужності на фотоелектричних СЕС обходиться приблизно в $2500.

Сонячний елемент складається з двох сполучених між собою кремнієвих пластинок. Світло, що падає на верхню пластинку, вибиває з неї електрони, посилаючи їх на нижню пластинку. Так створюється ЕДС елементу. Послідовно сполучені елементи є джерелом постійного струму. Декілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів є сонячною батареєю. Ефективність перетворення променистої енергії в електричну в сучасних установках досягає 13... 17%, в лабораторних умовах на деяких напівпровідниках досягнута ефективність 40%.

Потужність СЕУ з фотоелектричними перетворювачами визначається співвідношенням

, Вт (3.3)

де - ККД фотоелектричних перетворювачів (змінюється в сучасних кремнієвих елементах в межах 0,12...0,17), - їх загальна площа, м².

Використання фотоелектричних СЕС починалося з космічної техніки, де вартість грала другорядну роль. «Крила» фотоелементів станції Мир мали площу в сотні квадратних метрів. На Луні довше за рік працював «Місяцехід», що живиться від сонячних батарей. На американській станції «Скайлеб» батарея загальною площею 130 м² забезпечувала енергоживлення потужністю 10,5 кВт.

У наш час модулі фотоелектричних перетворювачів виробляються у ряді країн для потреб великої енергетики. Потужності одиночних сонячних установок цього типа в США досягли 10 МВт, причому пік потужності досягається, коли Сонце знаходиться в зеніті - близько на той час, коли добовий хід вжитку енергії в сонячних південних субтропічних штатах Америки має максимум у зв'язку з роботою кондиціонерів.

Важливою перевагою фотоелектричних СЕС є дуже малі експлуатаційні витрати - модулі, захищені від пилу і атмосферних опадів склом або плівкою, працюють десятки років без обслуговування. У хмарну погоду потужність СЕС цього типа декілька знижується, хоча і менше, ніж для термоелектричних установок. Слід чекати, що в південних сонячних регіонах РФ при масовому випуску і зниженні вартості кремнієвих модулів такі установки виявляться конкурентоздатними порівняно з традиційними, працюючими на органічному паливі, що дорожчає.

Розробляються проекти супутникових фотоелектричних СЕС. Передбачається виводити і вмонтовувати їх на геостаціонарних орбітах на екваторі, на висоті 35800 км., так що вони постійно «висітимуть» над одним і тим же місцем. Сонячні елементи з поверхнею в десятки км² розміщуються на тонкій синтетичній плівці, орієнтованій перпендикулярно до сонячних променів. Електричний струм від сонячних елементів перетвориться в спеціальних генераторах в мікрохвильове випромінювання, яке бортовою антеною прямує на Землю. Передавальна антена має діаметр близько 1 км., а приймальна антена СВЧ - випромінювання на Землі - близько 7 км. Приймальна станція перетворює СВЧ - випромінювання в струм промислової частоти і напруги. Для реалізації цього унікального за задумом і масштабам проекту буде потрібно величезні засоби і великий об'єм науково-технічних розробок.

У Росії головним науковим розробником фотоелектричних перетворювачів є Фізико-технічний інститут ім. А.Ф.Іоффе в Санкт-Петербурзі. Директор цього інституту, нобелівський лауреат академік Ж.І.Алферов - гарячий прибічник сонячної енергетики. На Рязанському заводі металокерамічних приладів налагоджений випуск модулів СЕУ різних типорозмірів і різних технічних характеристик. Сонячні ФЕУ випускає НВО «Квант» (Москва), ЗАТ «ТЕЛЕКОМ-СТВ» в м. Зеленоград Московської обл. Освоюється виробництво «сонячного кремнію» - базового матеріалу для фотоелектричних перетворювачів. 1 кг кремнію на СЕУ за рік виробляє таку кількість електроенергії, на виробництво якого на звичайних ТЕС вимагається 2,5 т нафти, а термін служби кремнієвого перетворювача - 30 років і більше.