Введение.

Уровень развития материальной культуры человеческого общества в первую очередь определяется созданием и использованием источников энергии. Применение пара, а в последние 100 лет электричества, совершило техническую революцию в промышленности и оказало решающее влияние на развитие социальных отношений.

В настоящее время в наиболее развитых странах на одного человека приходится 20 кВт всех видов энергии. Это примерно в 200 раз больше, чем мускульная мощность человека, которая еще 200 лет назад была основной в промышленности и сельском хозяйстве. С полным основанием можно считать, что сегодня технический и культурный уровень развития государства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими машинами. Первые городские электростанции появились в самом конце XIX века. В настоящее время мощность электростанция на Земле равна, примерно, 4000 млн. кВт. Выработка электроэнергии достигла 25000 млрд. кВт·ч в год.

В нашей стране за последние 80 лет выработка электроэнергии увеличилась более чем в 1000 раз. Особенно быстро она росла в 1950-80 годах. После Великой Отечественной войны энергетика развивалась особенно быстрыми темпами. Были построены каскады гидростанций на Волге и Днепре, мощные тепловые электростанции и атомные станции.

В настоящее время перед электромеханиками стоят трудные и в то же время интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.

К основной проблеме в области электромеханики следует отнести создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные источники энергии. Сейчас около 80% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях за счет сжигания органического топлива. Запасы нефти, газа и угля ограничены, и необходимо значительно уменьшить долю органического топлива в топливном балансе страны. К тому же, выработка электроэнергии традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях сопровождается химическими и радиационными загрязнением окружающей среды. При этом возникает также проблема «теплового загрязнения» Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать примерно 1% от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца.

Возможности наращивания энергетического потенциала за счет строительства гидроэлектростанций ограничены гидроресурсами, а также необходимостью отчуждения под водохранилища значительных площадей. Решением проблемы управляемого термоядерного синтеза откроет человечеству доступ к неограниченному источнику энергии, однако по прежнему остается актуальной проблема загрязнения биосферы Земли. Эта причина и вынуждает активно разрабатывать нетрадиционные способы получения электроэнергии, и в первую очередь – преобразование энергии Солнца, которая является возобновимой, в отличии от энергии сжигаемого топлива.

Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры около 5800 К, что намного превышает температуру окружающей среды, при которой это излучение используется (около 300 К). Это означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечного излучения может быть близок к 100%.

Метод преобразования солнечной энергии в электрическую используется для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на космических летательных аппаратах (КЛА). Они предназначены также для подзарядки бортовых химических аккумуляторных батарей (АБ). Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета, совершившего перелет через пролив Ла-Манш. В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП – искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие КЛА.

Впервые на перспективы использования фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в крупномасштабной энергетике обратили внимание еще в 30х годах.

Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на Землю, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а так же погодными условиями. Радикальным способом избавления от неравномерности выработки электроэнергии на солнечных энергоустановках является размещение солнечных фотоэлектрических установок в околоземном космическом пространстве, где они практически все время будет освещены Солнцем и смогут вырабатывать много больше электроэнергии, чем на Земле, даже в самых благоприятных условиях.

К достоинствам ФЭП можно отнести большой срок службы, достаточная аппаратурная надежность, отсутствие расхода активного вещества или топлива.

К недостаткам ФЭП относятся необходимость устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после вывода КЛА на орбиту; неработоспособность в отсутствие освещения; относительно большие площади облучаемых поверхностей.

Для ФЭП характерны удельная масса 20-60 кг/кВт (без учета механизмов разворота и автоматов слежения) и удельная мощность P=0.1÷ 0.3 кВт/м². КПД преобразователей солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен η ≈ 0.1 ÷ 0.2. В каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов η ≈ 0.3 при двухслойном и η ≈ 0.35 ÷ 0.4 при трехслойном исполнении. Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников – арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать η ≈ 0.3 ÷ 0.4. В настоящее время достигнуто значение КПД η=0.5.

Необходимые электрические параметры источника питания на базе ФЭП (мощность, напряжение, ток) достигаются последовательно-параллельным включением ФЭ согласно матричному принципу. Например, для мощности 5 кВт требуется порядка 10⁵ ФЭ общей площадью около 20 м².