Большинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии – Солнце. Солнце, звезда спектрального класса 2, желтый карлик, очень средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность – это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет Земле мощность около 10 17 Вт – такова сила «солнечного зайчика» диаметром 12,7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м 2 . При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет.
Доводы противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:
1. Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.
2. Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.
Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введем понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного зайчика. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10% (типичные значения КПД для кремниевых фотоэлементов, широко освоенных в серийном промышленном производстве для нужд наземной энергетики), для производства 10 12 Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями площадь 4 * 10 10 м 2 , равную квадрату со стороной 200 км. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м 2 , что соответствует типичному среднему значению в течение года для южных широт. То есть «низкая плотность» солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики.
Приведенные выше соображения являются достаточно веским аргументом: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать эту энергию завтра. Можно хотя бы в шутку рассматривать эту проблему в рамках решения энергетических задач по управляемому термоядерному синтезу, когда эффективный реактор (Солнце) создан самой природой и обеспечивает ресурс надежной и безопасной работы на многие миллионы лет, а наша задача заключается лишь в разработке наземной преобразовательной подстанции. В последнее время в мире проведены широкие исследования в области солнечной энергетики, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным и найти широкое применение.
Россия богата природными ресурсами. Мы имеем значительные запасы ископаемого топлива – угля, нефти, газа. Однако использование солнечной энергии имеет и для нашей страны большое значение. Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии.
Еще бóльшие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500 — 1850 кВт o час/м 2 .
Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:
— прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);
— фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.
Прямой тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования солнечной энергии и широко используется в южных районах России и в странах экваториального пояса в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п. Основой солнечных теплоиспользующих установок являются плоские солнечные коллекторы — поглотители солнечного излучения. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы бытового горячего водоснабжения.
Электроэнергия является наиболее удобным для использования и передачи видом энергии. Поэтому понятен интерес исследователей к разработке и созданию солнечных электростанций, использующих промежуточное преобразование солнечной энергии в тепло с последующим его преобразованием в электроэнергию.
В мире сейчас наиболее распространены солнечные тепловые электростанции двух типов: 1) башенного типа с концентрацией солнечной энергии на одном гелиоприемнике, осуществляемой с помощью большого количества плоских зеркал; 2) рассредоточенные системы из параболоидов и параболоцилиндров, в фокусе которых размещены тепловые приемники и преобразователи малой мощности.
2. РАЗВИТИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В конце 70-х – начала 80-х лет в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 Мвт. Самая большая СЭС мощностью 10 Мвт (Solar Оnе) была построена в Калифорни. Все эти СЭС построенные по одному принципу: поле размещенном на уровне земли зеркал-гелиостатов, которые следят за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху довольно высокой башни. Ресивер представляет собой, в сущности говоря, солнечный котел, в котором вырабатывается водный пар средних параметров, который направляется потом в стандартную паровую турбину.
Второй проект — башенная СЭС PHOEBUS реализуется немецким консорциумом. Проект предполагает создание демонстрационной гибридной (солнечно-топливной) СЭС мощностью 30 МВт с объемным ресивером, в котором будет подогреваться атмосферный воздух, который направляется потом в паровой котел, где вырабатывается водный пар, который работает в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предполагается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется так, чтобы на протяжении всего светового дня поддерживать заданную мощность. Расчеты показывают, что, например, для годового получения солнечного излучения 6,5 ГДж/м 2 (подобное тому, которое характерно для южных районов Украины) эта СЭС, которая имеет суммарную поверхность гелиостатов 160 тыс. м 2 , будет получать 290,2 ГВт*ч/год солнечной энергии, а количество энергии, внесенной с топливом, составит 176,0 ГВт*ч/год. При этом СЭС выработает в год 87.9 ГВт*ч электроэнергии со среднегодовым КПД 18,8 %. При таких показателях стоимость электроэнергии, выработанной на СЭС, можно ожидать на уровне ТЭС на органическом топливе.
Начиная с середины 80-х годов, в Южной Калифорнии компанией LUZ, были созданы и пущены в коммерческую эксплуатацию девять СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (ПЦК) с единичными мощностями, которые нарощивались от первой СЭС к следующим от 13,8 до 80 Мвт. Суммарная мощность этих СЭС достигла 350 Мвт. В этих СЭС использованные ПЦК с апертурой, которая увеличивалась при переходе от первой СЭС к следующих. Следя за солнцем на единой оси, концентраторы фокусируют солнечную радиацию на трубчатых приемниках, заключенных в вакуумированные трубы. Внутри приемника протекает высокотемпературный жидкий теплоноситель, который нагревается до 380°С и потом отдает тепло водного пара в парогенератор. В схеме этих СЭС предусмотрено также сжигание в парогенераторе некоторого количества природного газа для производства дополнительной пиковой электроэнергии, а также для компенсации уменьшенной инсоляции.
Указанные СЭС были созданы и эксплуатировались в то время, когда в США существовали законы, которые разрешали СЭС безубыточно функционировать. Окончание срока действия этих законов в конце 80-х лет привело к тому, что компания LUZ обанкротилась, а строительство новых СЭС этого типа было прекращено.
Компания KJC (Kramеr Junction Company), которая эксплуатировала пять из девяти построенных СЭС (с 3 по 7), поставила перед собою задачу повысить эффективность этих СЭС, сократить затраты на их эксплуатацию и сделать их экономически привлекательными в новых условиях. В данное время эта программа успешно реализуется.
Одним из лидеров по использованию энергии Солнца стала Швейцария. По данным на 1997 г. здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на основе фотоэлектрических преобразователей мощностью от 1 до 1000 кВт. Программа, получившая название «Solar-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Щвейцарию», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70% энергии. Гелиоустановку мощностью 2-3 кВт чаще всего монтируют на крышах и фасадах зданий. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВтч электроэнергии, что достаточно для бытовых нужд среднего швейцарского дома. Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов солнечные установки мощностью до 300 кВт. Такая станция покрывает потребности предприятия в электроэнергии на 50-60%.
В условиях альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, также строятся гелиоустановки большой мощности. Опыт эксплуатации показывает, что Солнце уже в состоянии обеспечить потребности всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах домов, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях, не требуют для собственного размещения дорогостоящей сельскохозяйственной территории. Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии.
Современная концепция использования солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и оформления фасада. КПД солнечных преобразователей при сильном нагреве заметно снижается, поэтому под панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть электроэнергию, выполняют роль декоративной облицовки.
В развивающихся странах применяют сравнительно мелкие установки для электроснабжения индивидуальных домов, в отдаленных селах для — оснащения культурных центров, где благодаря ФЭУ можно пользоваться телевизорами и др. При этом на первый план выступает не стоимость электроэнергии, а социальный эффект. Программы внедрения ФЭУ в этих странах активно поддерживаются международными организациями, в их финансировании принимает участие Мировой банк на основе выдвинутой им «Солнечной Инициативы». Так, например, в Кении за последние 5 лет с помощью ФЭУ было электрифицировано 20 000 сельских домов. Большая программа по внедрению ФЭУ реализуется в Индии, где в 1986 — 1992 гг. на установку ФЭУ в сельской местности было израсходовано 690 млн. рупий.
В промышленно развитых странах активное внедрение ФЭУ поясняется несколькими факторами. Во-первых, ФЭУ рассматриваются как экологически чистые источники, способные уменьшить вредное влияние на окружающую среду. Во-вторых, применение ФЭУ в частных домах повышает энергетическую автономию и защищает собственника при возможных перебоях в централизованном электроснабжении.
3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель Физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.
Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского «Спутник»-3 и американского «Авангард»-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа «Салют» и «Мир». Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.
Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с p- n переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный). Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы – электронную (отрицательную). Контактp или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая кp-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p- n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n-полупро-водника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p-n перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик p-n перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах.
При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p- n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупро-воднике) диффундируют кp-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа. В результате полупроводникp-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из pобласти в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера –при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на «насыщение» и становится равной высоте барьера на неосвещенном p-n переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 — 85% от величины контактной разности потенциала p- n перехода.
Таким образом, рассмотрен процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах кp- и n-областям p-n перехода. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, например питаемого солнечной батареей калькулятора, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.
Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости. В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт – сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).
Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике – наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.
До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости «солнечной» электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.
Линза Френеля представляет собой выполненную из оргстекла пластину толщиной 1– 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой образован профиль в виде концентрических колец, повторяющий профиль выпуклой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрирования в 2 – 3 тысячи «солнц».
В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 — 50 «солнц». Значительно бóльшие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.
Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэлектрического эффекта – освобождения электронов проводимости в приемнике излучения под действием квантов солнечного излучения.
Этот эффект используется в полупроводниковых материалах, в которых энергия квантов излучения hn создает, например, на p –n -переходе фототок
I ф =eN e ,
где N e – число электронов, создающих на переходе разность потенциалов, вследствие чего на переходе в обратном направлении потечет ток утечки I , равный фототоку, который является постоянным.
Потери энергии при фотоэлектрическом преобразовании обусловлены неполным использованием фотонов, а также рассеянием, сопротивлением и рекомбинацией уже возникших электронов проводимости .
Наиболее распространенным из выпускаемых промышленностью солнечных элементов (фотоэлементов) является пластинчатые кремниевые элементы. Существуют также и другие типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и снижения стоимости солнечных элементов.
Толщина солнечного элемента зависит от его способности поглощать солнечное излучение. Такие полупроводниковые материалы, как кремний, арсенид галлия и др. используются потому, что они начинают поглощать солнечное излучение с достаточно большой длиной волны, и могут преобразовывать в электричество его значительную долю. Поглощение солнечного излучения различными полупроводниковыми материалами достигает наибольшей величины при толщине пластин от 100 до 1 мкм и менее.
Уменьшение толщины солнечных элемента позволяет значительно снизить расход материалов и стоимость их изготовления.
Различия в поглощательный способности полупроводниковых материалов объясняется различиями в их атомном строении.
Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую не высока. Для кремневых элементов не более 12…14 %.
Чтобы повысить КПД солнечных элементов применяются просветляющие покрытия лицевой стороны солнечного элемента. В результате увеличивается доля проходящего солнечного излучения. У элементов без покрытия потери на отражение достигают 30 %.
В последнее время для изготовления солнечных элементов стали использовать ряд новых материалов. Одним из них является аморфный кремний, который в отличии от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Следовательно, он имеет большую поглощательную способность. Также находит применение арсенид галлия (GaAs). Теоретическая эффективность элементов на основе GaAs может достигнуть 25 %, реальные элементы имеют КПД около16 %.
Развивается технология тонкопленочных солнечных элементов. Несмотря на то, что КПД этих элементов в лабораторных условиях не превышает 16 %, они имеют более низкую стоимость. Это особенно ценно для снижения себестоимости и расхода материала в массовом производстве. В США и Японии изготавливают тонкопленочные элементы на аморфном кремнии площадью 0,1 …0,4 м 2 с КПД 8…9 %. Наиболее распространенным тонкопленочным фотоэлементом является элементы на основе сульфида кадмия (CdS) с КПД 10 %.
Другим достижением в технологии тонкопленочных солнечных элементов стало получение многослойных элементов. Они позволяют охватить большую часть спектра солнечного излучения.
Активный материал солнечного элемента стоит довольно дорого. Для более эффективного использования солнечное излучение собирают на поверхности солнечного элемента с помощью концентрирующих систем (рис. 2.7).
При увеличении радиационного потока характеристики элемента не ухудшаются, если его температура поддерживается на уровне температуры окружающего воздуха с помощью активного или пассивного охлаждения.
Существует большое количество концентрирующих систем, основанных на линзах (обычно плоских линзах Френеля), зеркалах, призмах полного внутреннего отражения и т.д. Если происходит сильно неравномерная облученность фотоэлементов или модулей, это может привести к разрушению солнечного элемента.
Использование концентрирующих систем позволяет снизить стоимость солнечных электростанций, так как концентрирующие элементы дешевле солнечных элементов .
По мере снижения цены на солнечные элементы, появилась возможность сооружения крупных фотоэлектрических установок. К 1984 г. было построено 14 относительно крупных солнечных электростанций мощностью от 200 кВт до 7 МВт в США, Италии, Японии, Саудовской Аравии и Германии.
Солнечная фотоэлектрическая установка имеет ряд достоинств. Она использует чистый и неиссякаемый источник энергии, не имеет движущихся частей и поэтому не требует постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Солнечные элементы можно производить массовыми сериями, что приведет к снижению их стоимости.
Солнечные батареи собираются из солнечных модулей. При этом существует большой выбор типов и размеров этих устройств с одинаковой эффективностью преобразования энергии и одинаковой технологией производства.
Так как поступление солнечной энергии периодично, фотоэлектрические системы наиболее рационально включать в гибридные электростанции, использующие и солнечную энергию, и природный газ. На этих станциях может найти применение новое поколение газовых турбин. Гибридные маломощные электростанции, состоящие из фотоэлектрических панелей и дизельных генераторов, уже является надежными поставщиками энергии.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Кафедра промышленная теплоэнергетика.. конспект лекций по курсу нивиэ грибанов а и.. текст напечатали..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Энергоресурсы планеты
Энергоресурсы – материальные объекты, в которых сосредоточена энергия. Энергию условно можно разделить на виды: химическую, механическую, тепловую, электрическую и т.д. К основным энергоресурсам от
Возможности использования энергоресурсов
Термоядерная энергия
Термоядерная энергия – это энергия синтеза гелия из дейтерия. Дейтерий – атом водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтро
Энергоресурсы России
Россия имеет огромные запасы энергоресурсов и, особенно, угля.
Теоретический потенциал – это запасы топлива, которые конкретно не подверждены.
Технический потенциа
Получение энергии на ТЭС
Как и в большинстве стран мира большая часть электроэнергии в России вырабатывается на ТЭС, сжигающих органическое топливо. В качестве топлива на ТЭС используют твердое, жидкое и газообразное топли
Переменный график электропотребления
В течении суток потребление электроэнергии не одинаково. В часы пик оно резко возрастает, а ночью значительно уменьшается. Следовательно, энергосистема должна иметь базовые мощности, работающие в п
Проблемы передачи электроэнергии
Передача электрической энергии на большие расстояния связана с потерями в ЛЭП. Теряется электрическая энергия равная произведению силы тока на эл. сопротивление провода. Передаваемая по проводам мо
Газотурбинные и парогазовые установки (ГТУ и ПГУ)
В настоящее время газотурбинные и парогазовые установки являютсяся самыми перспективными из всех установок для пр-ва тепловой и электрической энергии. Применение этих установок во многих странах ми
Магнитно-гидродинамические установки (МГДУ)
Перспективным также является использование электростанций на базе магнитогидродинамического генератора. Цикл МГДУ такой же как ГТУ, т.е адиабатное сжатие и расширение рабочего тела, изобарный подво
Топливные элементы
В настоящее время для выработки электрической энергии для выработки электроэнергии используют топливные элементы. Эти элементы преобразуют энергию химических реакций в электрическую энергию. Химиче
Тепловые насосы
ТН называют устройства, работающие по обратному термодинамическому циклу и предназначены для передачи тепла от низкопотенциального источника энергии к высокопотенциальному.
Второй закон
Место малой энергетики в энергетике России
К нетрадиционным источникам энергии можно отнести малые гидроэлектростанции, дизельные электростанции, газо-поршневые электростанции, малые АЭС.
Гарантом надежного электроснабжения, теплос
Газотурбинные и парогазовые малые электростанции
Газотурбинные электростанции малой мощности – компактные установки, изготовленные по блочно-контейнерному принципу. Составные части ГТЭС дают возможность вырабатывать не только электроэнергию, но и
Мини ТЭЦ
В настоящее время повысился интерес к комбинированной выработке тепла и электроэнергии с помощью небольших установок с помощью небольших установок с мощностью от нескольких десятков кВт до нескольк
Дизельные электростанции
В отдельных труднодоступных районах России куда невыгодно проводить ЛЭП для энергоснабжения населения этих районов используют бензиновые и дизельные электростанции. В районах крайнего севера число
Газопоршневые электростанции
Т.к. цены на дизельное топливо постоянно растут, то использование дизельных электростанций на дизельном топливе становятся дорогостоящим, поэтому в настоящее время в мире большой интерес проявляют
Малые гибридные электростанции
Для повышения надежности и эффективности систем электроснабжения требуется создание многофункциональной энергетических комплексов (МЭК). Также комплексы могут быть созданы на базе малых гибридных э
Малые АЭС
В последнее время значительный интерес проявляют к АЭС малой мощности. Это станции блочного испонения, они позволяют унифицировать оборудование и работу автономно. Такие станции могут быть надежные
Малая гидроэнергетика
Лидером в развитии малой гидроэнергетики является Китай. Мощность малых ГЭС (МГЭС) в Китае превышает 20 тыс. МВт. В индии установленная мощность МГЭС превышает 200 МВт. Широкое распространение МГЭС
Основные невозобновляемые энергоресурсы рано или поздно будут исчерпаны. Сейчас около 80% энергопотребления на планете обеспечивается за счет органического топлива. При таком использовании органиче
Гидроэнергетика
ГЭС в качестве источника энергии использует энергию водного потока. ГЭС строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства энергии на ГЭС необходимы 2 основных фактора
Солнечная энергия
Солнечная энергия является результатом реакции синтеза ядер легких элементов дейтерия, трития и гелия, которые сопровождаются огромным количеством энергии. Источником всей энергии, за исключением т
Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию
Солнечную энергию можно превратить в тепловую с помощью коллектора. Все солнечные коллекторы имеют поверхностный или объемный поглотитель тепла. Тепло может отводится из коллектора или аккумулирова
Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию
Методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую основаны на циклах тепловых двигателей. Солнечная энергия преобразовывается в электрическую на солнечных электростанциях (
Перспективы развития солнечной энергетики в России
В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция башенного типа СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт.
1600 гелиостатов (плоских зер
Особенности использования энергии ветра
Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Энергия ветра очень велика. По оценкам Всемирной метеорологической организации запасы энергии вет
Производство электроэнергии с помощью ВЭУ
Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом преобразования энергии ветра. При проектировании ВЭУ необходимо учитывать их следующие особенност
Ветроэнергетика России
Энергетический ветропотенциал России оценивается в 40 млрд. кВт. ч электроэнергии в год, то есть около 20000 МВт .
ВЭС мощностью 1 МВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с экономит 1
Происхождение геотермальной энергии
В ядре Земли температура достигает 4000 °C. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит в основном за счет теплопроводности и реже – в виде конвективных потоков расплавленной
Техника извлечения геотермального тепла
Источники геотермальной энергии можно разделить на пять типов.
1. Источники геотермального сухого пара. Они довольно редки, но наиболее удобны для строительства ГеоТЭС.
2. Источни
Электроэнергии
Превращение геотермальной энергии в электрическую осуществляется на основе использования машинного способа с помощью термодинамического цикла на ГеоТЭС.
Для строительства ГеоТЭС наиболее б
Более значительны масштабы использования геотермальной теплоты для отопления и горячего водоснабжения. В зависимости от качества и температуры термальной воды существуют различные схемы геотермальн
Влияние геотермальной энергетики на окружающую среду
Основное воздействие на окружающую среду ГеоТЭС связано с разработкой месторождения, строительством зданий и паропроводов. Для обеспечения ГеоТЭС необходимым количеством пара или горячей воды требу
Геотермальная энергетика России
В России разведано 47 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240×103 м3/сут. термальных вод, и парогидротерм производите
Причины возникновения приливов
Приливы – это результат гравитационного взаимодействия Земли с Луной и Солнцем. Приливообразующая сила Луны в данной точке земной поверхности определяется как разность местного значения силы притяж
Приливные электростанции (ПЭС)
Поднятую во время прилива на максимальную высоту воду можно отделить от моря плотиной. В результате образуется приливный бассейн.
Максимальная мощность, которую можно получить, пропуская в
Влияние пэс на окружающую среду
Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду может быть связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружен
Приливная энергетика России
В России использование приливной энергии в прибрежных зонах морей Северного Ледовитого и Тихого океанов связано с большими капиталовложениями.
Первая в нашей стране Кислогубская ПЭС мощнос
Энергия волн
От морских волн можно получить огромное количество энергии. Мощность, переносимая волнами по глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Наибольший интерес представляют длиннопе
Энергия океанических течений
Всю акваторию Мирового океана пересекают поверхностные и глубинные течения. Запас кинетической энергии этих течений составляет порядка 7,2∙1012 кВт∙ч/год. Эту энергию с помощ
Ресурсы тепловой энергии океана
Мировой океан является естественным аккумулятором солнечной энергии. В тропических морях верхний слой воды толщиной несколько метров имеет температуру 25…30 °С. На глубине 1000 м температура воды н
Океанические тепловые электростанции
Для преобразования энергии перепада температур в океане предлагается несколько типов устройств. Наибольший интерес представляет преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью термодинами
Ресурсы биомассы
Под термином «биомасса» понимается органическое вещество растительного или животного происхождения, которое может быть использовано для получения энергии или технически удобных видов топлива путем
Термохимическая конверсия биомассы (сжигание, пиролиз, газификация)
Одним из основных направлений утилизации древесных отходов является их использование для получения тепловой и электрической энергии. Основными технологиями получения энергии из древесных отходов яв
Биотехнологическая конверсия биомассы
При биотехнологической конверсии используются различные органические отходы с влажностью не менее 75 %. Биологическая конверсия биомассы развивается по двум основным направлениям:
1) ферме
Экологические проблемы биоэнергетики
Биоэнергетические установки способствуют снижению загрязнения окружающей среды всевозможными отходами. Анаэробная ферментация является не только эффективным средством использования отходов животнов
Характеристика твердых бытовых отходов (ТБО)
На городских свалках ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов. Удельный годовой выход ТБО на одного жителя современного города составляет 250…700 кг. В развитых странах эта величина е
Переработка тбо на полигонах
В настоящее время ТБО городов как правило вывозятся на полигоны для захоронения с расчетом на их последующую минерализацию. Желательно, чтобы перед захоронением ТБО прессовали. Это не только снижае
Компостирование ТБО
Вторым направлением утилизации ТБО является переработка в органическое удобрение (компост). Можно компостировать до 60 % общей массы бытовых отходов. Процесс компостирования осуществляется во враща
Сжигание ТБО в специальных мусоросжигательных установках
В экономически развитых странах все больше количество ТБО перерабатывается промышленными способами. Наиболее эффективным из них является термический. Он позволяет почти в 10 раз снизить объем отход
Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
Фотовольтаика - метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество.
Гелиотермальная энергетика - один из способов практического использования возобновляемого источника энергии - солнечной энергии, применяемый для преобразования солнечной радиации в тепло воды или легкокипящего жидкого теплоносителя. Гелиотермальная энергетика применяется как для промышленного получения электроэнергии, так и для нагрева воды для бытового применения.
Солнечная батарея - бытовой термин, используемый в разговорной речи или ненаучной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» или «солнечная панель» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
Термин «фотовольтаика» означает обычный рабочий режим фотодиода, при котором электрический ток возникает исключительно благодаря преобразованной энергии света. Фактически, все фотовольтаические устройства являются разновидностями фотодиодов.
Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)
В фотовольтаических системах преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП). В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП:
ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния;
ФЭП второго поколения на основе тонких пленок;
ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов.
Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии разрабатываются ФЭП на основе каскадных многослойных структур.
ФЭП первого поколения
ФЭП первого поколения на основе кристаллических пластин на сегодняшний день получили наибольшее распространение. В последние два года производителям удалось сократить себестоимость производства таких ФЭП, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке.
Виды ФЭП первого поколения:
монокристаллический кремний (mc-Si),
поликристаллический кремний (m-Si),
на основе GaAs,
ribbon-технологии (EFG, S-web),
тонкослойный поликремний (Apex).
ФЭП второго поколения
Технология выпуска тонкопленочных ФЭП второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.
Виды ФЭП второго поколения:
аморфный кремний (a-Si),
микро- и нанокремний (μc-Si/nc-Si),
кремний на стекле (CSG),
теллурид кадмия (CdTe),
(ди)селенид меди-(индия-)галлия (CI(G)S).
ФЭП третьего поколения
Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров и электролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами.
В настоящее время основная часть проектов в области ФЭП третьего поколения находятся на стадии исследований.
Виды ФЭП третьего поколения:
фотосенсибилизированные красителем (DSC),
органические (OPV),
неорганические (CTZSS).
Установка и использование
ФЭП собираются в модули, которые имеют нормируемые установочные размеры, электрические параметры и показатели надежности. Для установки и передачи электроэнергии солнечные модули комплектуются инверторами тока, аккумуляторами и прочими элементами электрической и механической подсистем.
В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем:
частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов;
коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле;
промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.
Производство
Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество PV элементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.
Достоинства
Общедоступность и неисчерпаемость источника.
Безопасность для окружающей среды - хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Недостатки
Зависимость от погоды и времени суток.
Необходимость аккумуляции энергии.
При промышленном производстве -- необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.
Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
Нагрев атмосферы над электростанцией.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
внутренним сопротивлением преобразователя и др.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1.Введение
3.Физический эффект работы
6.Перспективы развития
7. Список источников
1.Введение
Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов.
Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%.
Современные тенденции в мировой энергетике стимулируют существенный рост интереса к альтернативным источникам энергии. ФЭП или солнечные элементы являются наиболее перспективными, экологически чистыми кандидатами на уменьшение нефтяной зависимости мира и, в отличие от органических и неорганических источников энергии, преобразуют солнечное излучение непосредственно в электроэнергию.
Солнце - самый мощный источник энергии по сравнению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается огромной цифрой: 4x1026 Вт, или 4x1014 млрд. кВт. Эта цифра настолько велика, что трудно выбрать для сопоставления с ней какую-либо подходящую величину, привычную для нас в наших земных масштабах. Даже вблизи Земли, на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт лучистой энергии.
Средний радиус Земли равен 6370 км, а поперечное сечение Земли составляет 127,6x106 км2. Легко подсчитать, что полная мощность солнечной радиации, поступающей на Землю, равна 178,6x1012 кВт. Из этого следует, что в течение года на Землю в виде лучистой энергии передается 1,56x1018 кВтxч.
Как уже сказано, на 1 м2 поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной радиации, а на 1 м2 поверхности Земли (сферы Земли) приходится в среднем 0,35 кВт.
Следует, однако, иметь в виду, что больше половины энергии солнечной радиации не доходит непосредственно до поверхности Земли (суши и океана), а отражается атмосферой. Считается, что на 1 м2 суши и океана земли приходится в среднем около 0,16 кВт солнечной радиации. Следовательно, для всей поверхности Земли солнечная радиация составляет величину, близкую к 1014 кВт, или 105 млрд. кВт. Эта цифра, вероятно, во многие тысячи раз превышает не только сегодняшнюю, но и перспективную потребность человечества в энергии.
ФЭП широко используются для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на КЛА; они предназначены также для подзарядки бортовых химических аккумуляторных батарей. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США), совершившего перелет через пролив Ла-Манш.
В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие КЛА.
Достоинства ФЭП:
Большой срок службы;
Достаточная аппаратурная надежность;
Отсутствие расхода активного вещества или топлива.
Недостатки ФЭП:
Необходимость устройств для ориентации на Солнце;
Сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту;
Неработоспособность в отсутствие освещения;
Относительно большие площади облучаемых поверхностей.
2.Устройство и принцип действия
Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из стеклянной колбы, из которой откачан воздух (так называемые вакуумные фотоэлементы).
Внутренняя поверхность покрыта слоем светочувствительного материала и является источником электронов - фотокатодом (ФК.). В передней стенке колбы часть ее поверхности, не покрытая фоточувствительным слоем, служит окошком, сквозь которое свободно проходят лучи света внутрь фотоэлемента. В центре колбы на ножке укреплено металлическое кольцо- анод, к которому подводится положительное напряжение.
Электроны, вылетевшие из поверхности фотокатода под действием упавшего на него света, притягиваются электрическим полем анода и создают фототок внутри фотоэлемента и электрический ток в цепи, в которую включен фотоэлемент.
3.Физический эффект работы
Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения. В индукционном методе для получения электричества используют свободные заряды металлических проводников, а их разделение осуществляется в результате перемещения проводников в магнитном поле.
В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника со светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. Таким образом, поглощение света в идеальном полупроводнике приводит к появлению электрон-дырочной пары, которая существует в полупроводнике некоторое время, определяемое временем жизни, которое в свою очередь зависит от структурного совершенства полупроводникого материала. Процесс аннигиляции электро-дырочных пар называется рекомбинацией.
Не всякое излучение из светового диапазона вызывает генерацию электрон-дырочной пары, а только то, чья энергия достаточна чтобы разрушить связь электрона с ядром атома. Поэтому не все полупроводники являются чувствительными к солнечному излучению в наземных условиях.
Как и в любом источнике электропитания на его выходе поддерживается постоянная разность потенциалов, которая при подключении его к внешней нагрузке вызывает протекание тока в цепи.
Таким образом, генерированные электрон-дырочные пары необходимо разделить. Разделение положительных и отрицательных зарядов происходит в результате фотоэлектрического эффекта. Фотоэлектрический эффект возникает в полупроводниковых диодных структурах при наличии в них энергетического барьера который осуществляет разделение отрицательных и положительных носителей заряда. Энергетический барьер большинства ФЭП представляет собой встроенное электрическое поле, возникающее на границе двух полупроводниковых материалов, отличающихся типом электропроводности (электронной - n-тип и дырочной - р-тип). При поглощении фотонов происходит генерация неравновесных электрон-дырочных пар, разделение которых встроенным электрическим полем приводит к формированию фото-э.д.с, которое существует до тех пор пока полупроводниковая структура освещается светом.
Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Под влиянием электростатического притяжения разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход.
Гетеропереход -- контакт двух различных полупроводников. Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в многослойных полупроводниковых структурах.
Как говорилось выше, свободные основные носители через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК, контактной разностью потенциалов:
и потенциальным энергетическим барьером:
солнечный электрический фотоэлемент преобразователь
для основных носителей, имеющих заряд е.
Напряженность поля EK препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя шириной S . Напряжение Uk равное:
зависит от температуры Т, концентраций дырок или электронов в p- и n-областях заряда электрона е и постоянной Больцмана k. для неосновных носителей EK - движущее поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р в область п, а дырок - из области п в область р. Область п приобретает отрицательный заряд, а область р- положительный, что эквивалентно приложению к р-п переходу внешнего электрического поля с напряженностью EВШ, встречного с EK. Поле с напряженностью EВШ - запирающее для неосновных и движущее для основных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход переводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 - ЭДС холостого хода ФЭ. Эти явления могут происходить даже при отсутствии освещения р-п перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями W.
Если энергия фотона:
где v -частота волны света, h - постоянная Планка больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; р-п переход разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если подключить сопротивление нагрузки RН, по цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока Ф, но не превосходит предельного тока In ФЭ, который получается при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0) напряженность поля Евш =0, р-п переход (напряженность поля ЕК) наиболее интенсивно разделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента IФ для заданного Ф. Но в режиме К3, как и при холостом ходе (I=0), полезная мощность P=UНI=0, а для 0
4.Рабочие характеристики и праметры
Реальные условия работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) связаны с периодическим воздействием на приборные структуры различных внешних неблагоприятных факторов, приводящих к деградации эксплуатационных характеристик ФЭП. На стадии проектирования и разработки новых конструкций ФЭП важно максимально полно уменьшить негативное влияние внешних факторов и, учитывая это, оптимизировать конструкцию фотопреобразователя. Определение величины этих потерь, с одной стороны, позволяет установить причину снижения коэффициента полезного действия (к.п.д), с другой - совершенствовать технологию изготовления ФЭП.
Баланс подводимой к p-n- переходу ФЭП и отводимой от него энергии может быть представлен в виде:
где Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, Nc и Nv - эффективные плотности состояний у краев зон проводимости и валентной, соответственно; Iф=Iкз - ток короткого замыкания, Iн, Uн - ток и напряжение на нагрузке, соответствующее максимальной электрической мощности Pэл.max, отдаваемой образцом ФЭП.
где A - const, Io - ток насыщения.
В соответствии с выражением (1) подводимая энергия излучения, теряемая и отводимая электрическая энергия представляется в виде диаграммы Кривая на рисунке ниже представляет собой нагрузочную характеристику
Прямоугольники 1 и 2 соответствуют энергетическим потерям на нагрев контактов, 3 - потери энергии в области p-n перехода, 4 - полезная отводимая электрическая энергия, 5 - потери при рекомбинации электронно - дырочных пар при протекании темнового тока. В сумме площадь всех прямоугольников соответствует энергии подводимого излучения.
Таким образом, определение нагрузочной характеристики на устройстве позволяет установить соотношение компонентов энергетических потерь, а изменение этого соотношения при различных уровнях освещенности и различных температурах образца ФЭП - анализировать причины и оптимизировать конструктивное исполнение ФЭП.
Темновая вольт-амперная характеристикам ФЭП подобна ВАХ обычного полупроводникового диода. Если ФЭП осветить светом его ВАХ измениться. Нагрузочной световой ВАХ фотопреобразователя является зависимость тока нагрузки Iн, протекающего через сопротивление Rн подключенной к клеммам освещаемого ФЭП внешней нагрузки, от падения напряжения Uн на этом сопротивлении при монотонном изменении величины Rн от нуля до бесконечности. Из зависимости Iн =f(Uн) могут быть получены и рассчитаны выходные параметры: напряжение холостого хода Uхх, ток короткого замыкания Iкз, фактор заполнения FF, максимальная электрическая мощность Рнмах.
Коэффициент полезного действия з:
где W - мощность падающего светового потока; Uхх- напряжение холостого хода; Iкз - ток короткого замыкания, FF - фактор заполнения световой ВАХ.
Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
|
преобразования, % |
преобразования, % |
|||
|
Кремниевые |
CdTe (фотоэлемент) |
|||
|
Si (кристаллический) |
Аморфный/Нанокристаллический кремний |
|||
|
Si (поликристаллический) |
Si (аморфный) |
|||
|
Si (тонкопленочная передача) |
Si (нанокристаллический) |
|||
|
Si (тонкопленочный субмодуль) |
Фотохимические |
|||
|
На базе органических красителей |
||||
|
GaAs (кристаллический) |
На базе органических красителей (субмодуль) |
|||
|
GaAs (тонкопленочный) |
Органические |
|||
|
GaAs (поликристаллический) |
Органический полимер |
|||
|
InP (кристаллический) |
Многослойные |
|||
|
Тонкие пленки халькогенидов |
||||
|
CIGS (фотоэлемент)) |
||||
|
CIGS (субмодуль) |
GaAs/CIS (тонкопленочный) |
Эффективность работы фотоэлектрического преобразователя зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводникового материала:
1. Коэффициента отражения света от поверхности полупроводника, чем больше света
проникает вглубь базового слоя тем выше к.п.д.
2. Квантового выхода полупроводника, который показывает отношение числа поглотившихся фотонов к числу генерировавшихся при этом электронов. Этот коэффициент всегда меньше единицы так как часть фотонов поглощается на различных структурных несовершенствах полупроводника, что не приводит к генерации электрон-дырочной пары.
3. Диффузионной длины носителей заряда, которая должна обеспечить возможность
диффузии пар к энергетическому барьеру, на котором происходит их разделение. Соотношения между диффузионной длиной носителей заряда, глубиной залегания p-n-перехода относительно освещаемой поверхности и толщиной находящегося за ним полупроводникового слоя должно быть совместно оптимизировано.
4. Спектрального положение основной полосы поглощения солнечного излучения
5. От выпрямляющих характеристик p-n-перехода, которые определяют эффективность разделения носителей заряда.
6. Степени легирования областей полупроводника по обе стороны p-n-перехода, что
совместно с требованием минимизации сопротивления других слоев ФЭП, формы и места расположения токосъемных контактов обеспечивает низкое внутренне последовательное электросопротивление источника тока.
5.Конструктивно-технологические решения ФЭП на основе монокристаллического кремния
По своему конструктивно-технологическому решению фотоэлектрические преобразователи представляют собой наукоемкие изделия электронной техники. Самыми распространенными, надежными и долговечными являются ФЭП на основе монокристаллического кремния, которые впервые были применены десятки лет назад для электроснабжения космических аппаратов. В 2000 году было выпущено ФЭП на основе монокристаллов общей мощностью 200 МВт для наземного применения.
Желание примирить часто взаимно исключающие требования и найти оптимальное
компромиссное техническое решение привело разработчиков к выбору исходной конструкции ФЭП, изображенной на рисунке ниже. Для фотоэлектрических преобразователей из монокристаллического кремния с гомогенным p-n-переходом, занимающих в настоящее время ведущее положение при применениях, как в космических, так и в наземных условиях, такой конструктивный подход, оптимизируемый под конкретные применения, используется наиболее часто.
Размещено на http://www.allbest.ru/
6.Перспективы развития
Высокая цена установок определяется высокой стоимостью солнечных модулей. При производстве монокристаллических кремниевых ФЭП затрачивается такое количество энергии и труда, которое не окупится в течение всего времени их эксплуатации (20-25 лет). В то же время ФЭП на основе поликристаллической кремниевой ленты являются достаточно коммерчески привлекательными, несмотря на более низкие значения к.п.д., так как в течение их эксплуатации они вырабатывают электроэнергии значительно больше, чем было затрачено на их производство.
По мнению большинства ученых наиболее перспективными для наземного использования являются тонкопленочные ФЭП, низкая стоимость которых при массовом производстве и при достаточной эффективности определяется уменьшением толщины ФЭП в 100 раз. Наибольшую эффективность демонстрируют солнечных элементы на основе пленок полупроводниковых поликристаллических соединений Cu(In,Ga)Se2, CdTe толщиной порядка нескольких мкм и пленок гидрогенизированного аморфного кремния aSi:H.
7. Список источников
1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. «Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения»
2. Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. «Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстримальных температурных колебаний»
3. http://ru.wikipedia.org
4. http://www.solar-odessa.com.ua/rus/documents/tech/photovoltage.pdf
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Обзор методов измерения физической величины и их сравнительный анализ. Принцип действия фотоэлектрических преобразователей. Избыточный коэффициент усиления. Источники погрешностей от приемников излучения. Погрешности от нестабильности условий измерений.
курсовая работа , добавлен 06.12.2014
Фотоэлектрические приемники лучистой энергии. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства материалов. Фоторезисторы, их свойства и принцип работы. Световые характеристики фоторезисторов. Энергетический спектр валентных электронов в материалах.
реферат , добавлен 15.01.2015
Устройство, принцип действия, описание измерительных преобразователей механического сигнала в виде упругой балки, пьезоэлектрического, емкостного, фотоэлектрического и электромагнитного преобразователей. Оценка их числовых значений с помощью расчетов.
курсовая работа , добавлен 11.11.2013
Свойства индуктивных, емкостных, магнитострикционных, реостатных преобразователей и преобразователей Холла. Основные требования к преобразователю, принцип его действия. Расчет функции преобразования, чувствительности, основных параметров и погрешности.
курсовая работа , добавлен 29.07.2013
Применение аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для преобразования непрерывных сигналов в дискретные. Осуществление преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Анализ принципов работы АЦП и ЦАП.
лабораторная работа , добавлен 27.01.2013
Метод электромеханических аналогий: сведение анализа механических устройств к анализу эквивалентных электрических схем. Электромеханические преобразователи механической энергии в электрическую. Основные системы электромеханических преобразователей.
реферат , добавлен 16.11.2010
Понятия и основные характеристики преобразования, методы оценки их чувствительности, пределов и погрешности. Основные методы преобразования неэлектрических величин. Принцип действия параметрических и генераторных преобразователей неэлектрических величин.
реферат , добавлен 11.01.2016
Схема солнечной фотоэлектрической установки. Выбор электродвигателя и определение передаточных функций. Моделирование системы автоматического управления средствами MATLAB. Подбор микроконтроллера, драйвера двигателя и датчика уровня освещенности.
курсовая работа , добавлен 11.08.2012
Фотоэлектрические датчики положения, характеристика, сфера применения, принцип их работы. Ультразвуковые измерители с цифровым и аналоговым выходами, их преимущества. Индуктивные датчики положения и перемещения, принцип измерений, схема подключения.
курсовая работа , добавлен 25.04.2014
Солнечная батарея как объект моделирования. Общие принципы построения и отладки математической модели солнечных батарей. Кристаллические полупроводниковые материалы. Рекомендации по построению фотоэлектрических систем космического и наземного назначения.
Загрузка...
