Ефективно преобразуване на свободните слънчеви лъчи в енергия, която може да се използва за захранване на жилища и други съоръжения - заветна мечтамного апологети на зелената енергия.

Но принципът на работа на слънчевата батерия и нейната ефективност са такива, че все още не е необходимо да се говори за висока ефективност на такива системи. Би било хубаво да имате собствен допълнителен източник на електроенергия. Не е ли? Освен това дори днес в Русия, с помощта на слънчеви панели, значителен брой частни домакинства успешно се снабдяват с „безплатно“ електричество. Все още не знаете откъде да започнете?

По-долу ще ви разкажем за дизайна и принципите на работа на слънчевия панел; ще научите от какво зависи ефективността на слънчевата система. А видеоклиповете, публикувани в статията, ще ви помогнат да сглобите слънчев панел от фотоклетки със собствените си ръце.

Има доста нюанси и объркване в темата „слънчева енергия“. Често за начинаещите в началото е трудно да разберат всички непознати термини. Но без това е неразумно да се занимавате със слънчева енергия, закупувайки оборудване за генериране на „слънчев“ ток.

Несъзнателно можете не само да изберете грешен панел, но и просто да го изгорите, когато го свържете или да извлечете твърде малко енергия от него.

Галерия с изображения

Максималната възвръщаемост от слънчевия панел може да се получи само като се знае как работи, от какви компоненти и възли се състои и как е свързан правилно

Вторият нюанс е концепцията за термина „слънчева батерия“. Обикновено думата „батерия“ се отнася до някакъв вид устройство за съхранение на електричество. Или банален отоплителен радиатор идва на ум. При слънчевите батерии обаче ситуацията е коренно различна. Те не трупат нищо в себе си.

Най-енергийно ефективните устройства за конвертиране слънчева енергияв електрическа енергия (тъй като това е директен, едноетапен енергиен преход) са полупроводникови фотоволтаични преобразуватели (PVC). При равновесна температура, характерна за слънчевите клетки от порядъка на 300-350 Келвина и слънчева температура ~ 6000 K, тяхната максимална теоретична ефективност е >90%. Това означава, че в резултат на оптимизиране на структурата и параметрите на преобразувателя, насочени към намаляване на необратимите загуби на енергия, ще бъде напълно възможно да се повиши практическата ефективност до 50% или повече (в лабораториите вече е установена ефективност от 40%). е постигнато).

Теоретичните изследвания и практическите разработки в областта на фотоволтаичното преобразуване на слънчевата енергия потвърдиха възможността за постигане на такива високи стойности на ефективност със слънчеви клетки и идентифицираха основните начини за постигане на тази цел.

Преобразуването на енергия във фотоволтаичните клетки се основава на фотоволтаичния ефект, който възниква в нехомогенни полупроводникови структури, когато са изложени на слънчева радиация.Хетерогенността на структурата на фотоволтаичните клетки може да се получи чрез допиране на същия полупроводник с различни примеси (създаване на p-n преходи) или чрез свързване различни полупроводници с неравномерна ширина на забранената зона - енергията на отвличане на електрони от атом (създаване на хетеропреходи), или поради промени в химичния състав на полупроводника, водещи до появата на градиент на ширината на забранената зона (създаване на градуирани празнини структури). Възможни са и различни комбинации от горните методи. Ефективността на преобразуване зависи от електрическите характеристики на нехомогенната структура на полупроводника, както и от оптичните свойства на фотоволтаичната клетка, сред които най-важна роля играе фотопроводимостта, причинена от явленията на вътрешния фотоефект в полупроводниците, когато те са облъчен слънчева светлина. Принципът на работа на фотоволтаичните клетки може да бъде обяснен на примера на преобразуватели с p-n преходи, които се използват широко в съвременната слънчева и космическа енергия. Електронно-дупков преход се създава чрез легиране на пластина от монокристален полупроводников материал с определен тип проводимост (т.е. p- или n-тип) с примес, осигуряващ създаването на повърхностен слой с проводимост от противоположната Тип. Концентрацията на добавка в този слой трябва да бъде значително по-висока от концентрацията на добавка в основния (оригинален монокристален) материал, за да се неутрализират присъстващите там основни свободни носители на заряд и да се създаде проводимост с противоположен знак. U п-и граници p-слоеве, в резултат на потока на заряда се образуват обеднени зони с некомпенсиран обемен положителен заряд в n-слоя и обемен отрицателен заряд в p-слоя. Тези зони заедно образуват p-n преход. Появяващата се при прехода потенциална бариера (контактна потенциална разлика) предотвратява преминаването на основните носители на заряд, т.е. електрони от страната на p-слоя, но свободно позволяват на малцинствените носители да преминават в противоположни посоки. Това свойство на p-n преходите определя възможността за получаване на фото-едс при облъчване на слънчева клетка със слънчева светлина. Неравновесните носители на заряд (двойки електрон-дупка), създадени от светлина в двата слоя на фотоволтаичната клетка, се разделят на p-n прехода: малцинствените носители (т.е. електроните) преминават свободно през прехода, а основните носители (дупките) се запазват. По този начин, под въздействието на слънчевата радиация, ток от неравновесни малцинствени носители на заряд - фотоелектрони и фотодупки - ще тече през p-n прехода в двете посоки, което е точно това, което е необходимо за работата на слънчевата клетка. Ако сега затворим външната верига, тогава електроните от n-слоя, след като са извършили работа върху товара, ще се върнат в p-слоя и там ще се рекомбинират (обединят) с дупки, движещи се вътре в слънчевата клетка в обратна посока. За събиране и отстраняване на електрони във външна верига има контактна система на повърхността на полупроводниковата структура на слънчевата клетка. На предната, светеща повърхност на преобразувателя, контактите са изпълнени под формата на решетка или гребен, а на задната страна могат да бъдат плътни. Основните необратими загуби на енергия в слънчевите клетки са свързани с:

• Ш отражение на слънчевата радиация от повърхността на преобразувателя,
• Ш чрез преминаване на част от радиацията през фотоволтаичната клетка без абсорбция в нея,
• Ш разсейване на излишната фотонна енергия върху термичните вибрации на решетката,
• Ш рекомбинация на образуваните фотодвойки по повърхностите и в обема на фотоволтаичната клетка,
• Ш вътрешно съпротивление на преобразувателя,
• Ш и някои други физични процеси.

За намаляване на всички видове енергийни загуби в слънчевите централи се разработват и успешно прилагат различни мерки. Те включват:

b използване на полупроводници с оптимална забранена лента за слънчева радиация;

b целенасочено подобряване на свойствата на полупроводниковата структура чрез нейното оптимално легиране и създаване на вградени електрически полета;

b преход от хомогенни към хетерогенни и градиентни полупроводникови структури;

b оптимизиране на фотоволтаичните проектни параметри (дълбочина на pn-прехода, дебелина на основния слой, честота на контактната мрежа и др.);

b използването на многофункционални оптични покрития, които осигуряват антиотражение, термична регулация и защита на слънчевите клетки от космическо лъчение;

b разработване на слънчеви клетки, които са прозрачни в областта на дългите вълни на слънчевия спектър отвъд границата на основната лента на поглъщане;

b създаване на каскадни слънчеви клетки от полупроводници, специално подбрани за тяхната ширина на забранената лента, което прави възможно преобразуването във всяка каскада на радиацията, преминала през предишната каскада и т.н.;

Освен това беше постигнато значително увеличение на ефективността на слънчевите клетки чрез създаването на преобразуватели с двустранна чувствителност (до +80% от съществуващата ефективност на едната страна), използването на луминисцентни повторно излъчващи структури и предварителните разлагане на слънчевия спектър на две или повече спектрални области с помощта на многослойни филмови разделители на лъчи (дихроични огледала). ) с последваща трансформация на всяка част от спектъра от отделна фотоволтаична клетка и др.5

В системите за преобразуване на енергия на слънчеви електроцентрали (слънчеви електроцентрали) по принцип могат да се използват всякакви видове слънчеви клетки с различни структури, базирани на различни полупроводникови материали, които са създадени и в момента се разработват, но не всички от тях отговарят на набор от изисквания за тези системи:

• · висока надеждност с дълъг (десетки години!) експлоатационен живот;
• · наличие на изходни материали в количества, достатъчни за производството на елементи на системата за преобразуване и възможност за организиране на тяхното масово производство;
• · разходи за енергия за създаване на система за преобразуване, които са приемливи от гледна точка на периодите на изплащане;
• · минимални разходи за енергия и маса, свързани с управлението на системата за преобразуване и пренос на енергия (пространството), включително ориентацията и стабилизирането на станцията като цяло;
• · лекота на поддръжка.

Например, някои обещаващи материали е трудно да се получат в количествата, необходими за създаването на слънчеви електроцентрали, поради ограничените природни запаси от суровини и сложността на тяхната обработка. Някои методи за подобряване на енергийните и експлоатационните характеристики на слънчевите клетки, например чрез създаване сложни структури, са слабо съвместими с възможностите за организиране на тяхното масово производство на ниска цена и др. Високата производителност може да бъде постигната само чрез организиране на напълно автоматизирано фотоволтаично производство, например на базата на лентова технология, и създаване на развита мрежа от специализирани предприятия с подходящ профил, т.е. всъщност цялата индустрияиндустрия, сравнима по мащаб със съвременната радиоелектронна индустрия. Производството на слънчеви клетки и сглобяването на слънчеви клетки на автоматизирани линии ще намали цената на един батериен модул с 2-2,5 пъти.Силицийът и галиевият арсенид (GaAs) в момента се считат за най-вероятните материали за фотоволтаични системи за преобразуване на слънчева енергия на слънчеви електроцентрали, а при последните В случая става дума за хетерофотоконвертори (ХФК) със структура AlGaAs-GaAs.

FEC (фотоволтаични преобразуватели), базирани на съединение на арсен с галий (GaAs), както е известно, имат по-висока теоретична ефективност от силициевите FEC, тъй като тяхната ширина на забранената лента практически съвпада с оптималната ширина на забранената лента за полупроводникови преобразуватели на слънчева енергия = 1,4 eV. За силиций този показател = 1,1 eV.

Поради по-високото ниво на поглъщане на слънчевата радиация, определено от директните оптични преходи в GaAs, на тяхна основа могат да се получат високоефективни фотоволтаични клетки със значително по-малка дебелина на фотоволтаичните клетки в сравнение със силициевите. По принцип е достатъчно GFP да има дебелина от 5-6 микрона, за да се получи ефективност от порядъка на най-малко 20%, докато дебелината на силициевите елементи не може да бъде по-малка от 50-100 микрона без забележимо намаляване на ефективността им . Това обстоятелство ни позволява да разчитаме на създаването на леки филмови HFP, чието производство ще изисква сравнително малко изходен материал, особено ако е възможно да се използва не GaAs като субстрат, а друг материал, например синтетичен сапфир (Al 2 О 3).

GFC също така имат по-благоприятни експлоатационни характеристики по отношение на изискванията за SES преобразуватели в сравнение със силиконовите фотоволтаични клетки. По този начин, по-специално, възможността за постигане на малки начални стойности на токовете на обратно насищане в p-n преходите поради голямата ширина на лентата позволява да се сведе до минимум величината на отрицателните температурни градиенти на ефективност и оптимална мощност на HPC и, в допълнение , значително разширяват областта на линейната зависимост на последния от плътността на светлинния поток. Експерименталните зависимости на ефективността на HFP от температурата показват, че повишаването на равновесната температура на последните до 150-180 ° C не води до значително намаляване на тяхната ефективност и оптимална специфична мощност. В същото време за силициевите слънчеви клетки повишаването на температурата над 60-70 ° C е почти критично - ефективността пада наполовина.

Благодарение на своята устойчивост на високи температуриСлънчевите клетки с галиев арсенид позволяват използването на концентратори на слънчева радиация с тях. Работната температура на базирания на GaAs HFP достига 180 °C, което вече е доста работна температура за топлинни двигатели и парни турбини. По този начин към 30% присъща ефективност на галиев арсенид HFP (при 150°C) можем да добавим ефективността на топлинен двигател, използващ отпадъчната топлина на течността, охлаждаща фотоклетките. Следователно общата ефективност на инсталацията, която използва и третия цикъл на нискотемпературно извличане на топлина от охлаждащата течност след турбината за отопление на помещения, може да бъде дори по-висока от 50-60%.

Също така, базираните на GaAs HFC са много по-малко податливи на разрушаване от високоенергийни протонни и електронни потоци, отколкото силициевите FEC поради високото ниво на абсорбция на светлина в GaAs, както и малкия необходим живот и дължина на дифузия на малцинствените носители. Освен това експериментите показват, че значителна част от радиационните дефекти в HFP на основата на GaAs изчезват след термичната им обработка (отгряване) при температура от едва около 150-180 °C. Ако GaAs HFC постоянно работят при температура от порядъка на 150 ° C, тогава степента на радиационно влошаване на тяхната ефективност ще бъде относително малка през целия период на активна работа на станциите (това е особено вярно за космическите слънчеви електроцентрали, за които са важни ниското тегло и размер на FEC и високата ефективност) .

Като цяло можем да заключим, че енергийните, масовите и експлоатационните характеристики на базираните на GaAs HFC са по-съвместими с изискванията на SES и SCES (космос), отколкото характеристиките на силициевите FEC. Силицият обаче е много по-достъпен и широко използван материал от галиевия арсенид. Силицият е широко разпространен в природата и предлагането на суровини за създаване на слънчеви клетки на негова основа е почти неограничено. Технологията за производство на силициеви соларни клетки е утвърдена и непрекъснато се усъвършенства. Съществува реална перспектива за намаляване на цената на силициевите слънчеви клетки с един до два порядъка с въвеждането на нови автоматизирани производствени методи, които правят възможно по-специално производството на силициеви ленти и слънчеви клетки голяма площи така нататък.

Цените на силициевите фотоволтаични батерии са намалели за 25 години с 20-30 пъти от 70-100 долара/ват през 70-те години до 3,5 долара/ват през 2000 г. и продължават да намаляват. На Запад се очаква революция в енергийния сектор, когато цените преминат границата от 3 долара. Според някои изчисления това може да се случи още през 2002 г., а за Русия при сегашните енергийни тарифи този момент ще дойде при цена на 1 ват слънчева енергия от 0,3-0,5 долара, тоест с порядък по-ниска цена. Всички фактори, взети заедно, играят роля тук: тарифи, климат, географски ширини и способността на държавата да определя реални цени и да прави дългосрочни инвестиции. В действителните структури с хетеропреходи ефективността днес достига повече от 30%, а в хомогенните полупроводници като монокристален силиций - до 18%. Средната ефективност на слънчевите клетки на базата на монокристален силиций днес е около 12%, въпреки че достига 18%. Това са предимно силициеви SB, които могат да се видят днес на покривите на къщи по целия свят.

За разлика от силиция, галият е много оскъден материал, което ограничава възможността за производство на базирани на GaAs HFP в количествата, необходими за широко разпространение.

Галият се добива основно от боксит, но се разглежда възможността за получаването му и от въглищна пепел и морска вода. Повечето големи резервиГалият се съдържа в морска водаВъпреки това концентрацията му там е много ниска, добивът на възстановяване се оценява на само 1% и следователно производствените разходи вероятно ще бъдат непосилни. Технологията за производство на HFP на основата на GaAs с помощта на методи за течна и газова епитаксия (ориентирано израстване на един монокристал върху повърхността на друг (върху субстрат)) все още не е развита в същата степен като технологията за производство на силициев PVS и в резултат на това цената на HFP сега е значително по-висока (с поръчки) от цената на силициевите слънчеви клетки.

В космическите кораби, където основният източник на ток са слънчевите панели и където ясните съотношения на маса, размер и ефективност са много важни, основният материал за слънцето. Батерията, разбира се, е галиев арсенид. Способността на това съединение в слънчевите клетки да не губи ефективност при нагряване от 3-5 пъти концентрирана слънчева радиация е много важна за космическите слънчеви електроцентрали, което съответно намалява нуждата от дефицитен галий. Допълнителен потенциал за спестяване на галий е свързан с използването на синтетичен сапфир (Al 2 O 3) вместо GaAs като HFP субстрат. Цената на HFP по време на тяхното масово производство въз основа на подобрена технология вероятно също ще бъде значително намалена и като цяло цената на системата за преобразуване на енергията на системата за преобразуване на SES, базирана на GaAs HFP, може да бъде доста съизмерима с цената на система, базирана на силиций. По този начин в момента е трудно да се даде ясно предимство на един от двата разглеждани полупроводникови материала - силиций или галиев арсенид и само по-нататъшното развитие на технологията на тяхното производство ще покаже кой вариант ще бъде по-рационален за наземни и космически базирана на слънчева енергия. Доколкото SB произвеждат постоянен ток, възниква задачата той да се трансформира в индустриален променлив ток 50 Hz, 220 V. Специален клас устройства - инвертори - се справят перфектно с тази задача.

Повечето възобновяеми видове енергия - хидроенергия, механична и топлинна енергия от световните океани, вятърна и геотермална енергия - се характеризират или с ограничен потенциал, или със значителни трудности при широко използване. Общият потенциал на повечето възобновяеми енергийни източници ще увеличи потреблението на енергия от настоящите нива само с порядък. Но има и друг източник на енергия - Слънцето. Слънцето, звезда от спектрален клас 2, жълто джудже, е много средна звезда във всичките си основни параметри: маса, радиус, температура и абсолютна величина. Но тази звезда има една уникална характеристика - тя е „нашата звезда“ и човечеството дължи цялото си съществуване на тази средна звезда. Нашата звезда доставя на Земята мощност от около 10 17 W - такава е мощността на "слънчевото зайче" с диаметър 12,7 хиляди км, което постоянно осветява страната на нашата планета, обърната към Слънцето. Интензитетът на слънчевата светлина на морското равнище в южните ширини, когато Слънцето е в зенита си, е 1 kW/m2. По време на разработката високоефективни методипреобразуване на слънчева енергия Слънцето може да осигури бързо нарастващи енергийни нужди за много стотици години.

Аргументите на противниците на широкомащабното използване на слънчевата енергия се свеждат основно до следните аргументи:

1. Специфичната мощност на слънчевата радиация е малка и мащабното преобразуване на слънчевата енергия ще изисква много големи площи.

2. Преобразуването на слънчевата енергия е много скъпо и изисква почти нереални разходи за материали и труд.

Наистина, колко голяма ще бъде площта на Земята, покрита от преобразувателни системи, за да се произведе значителен дял от електроенергията в глобалния енергиен бюджет? Очевидно тази област зависи от ефективността на използваните конверторни системи. За да оценим ефективността на фотоволтаичните преобразуватели, които директно преобразуват слънчевата енергия в електрическа с помощта на полупроводникови фотоклетки, въвеждаме концепцията за коефициент на ефективност (ефективност) на фотоклетка, дефиниран като съотношението на мощността на електричеството, генерирано от даден елемент, към мощност на слънчев лъч, падащ върху повърхността на фотоклетката. По този начин, с ефективност на слънчевите преобразуватели, равна на 10% (типични стойности на ефективност за силициеви фотоклетки, широко използвани в серийни промишлено производствоза нуждите на наземната енергия), за да се произведе 10 12 W електроенергия, ще е необходимо да се покрие площ от 4 * 10 10 m 2 с фотопреобразуватели, равна на квадрат със страна 200 km. В този случай интензитетът на слънчевата радиация се приема за 250 W/m 2, което съответства на типичната средна стойност през годината за южните ширини. Тоест „ниската плътност“ на слънчевата радиация не е пречка за развитието на мащабна слънчева енергия.

Горните съображения са доста убедителен аргумент: проблемът с преобразуването на слънчевата енергия трябва да бъде решен днес, за да се използва тази енергия утре. Човек може поне на шега да разглежда този проблем в рамките на решаването на енергийните проблеми на контролирания термоядрен синтез, когато ефективен реактор (Слънцето) е създаден от самата природа и осигурява ресурс за надеждни и безопасна работав продължение на много милиони години и нашата задача е само да разработим наземна преобразувателна подстанция. Напоследък в света се провеждат обширни изследвания в областта на слънчевата енергия, които показват, че в близко бъдеще този метод за генериране на енергия може да стане икономически оправдан и да намери широко приложение.

Русия е богата природни ресурси. Имаме значителни запаси от изкопаеми горива – въглища, нефт, газ. Използването на слънчевата енергия обаче има и ползи за страната ни. голямо значение. Въпреки факта, че значителна част от територията на Русия се намира на високи географски ширини, някои много големи южни региони на страната ни имат много благоприятен климат за широкото използване на слънчевата енергия.

Използването на слънчевата енергия има още по-големи перспективи в страните от екваториалния пояс на Земята и близките до този пояс райони, характеризиращи се с високо ниворазписки за слънчева енергия. Така в редица региони на Централна Азия продължителността на прякото слънчево облъчване достига 3000 часа годишно, а годишното пристигане на слънчева енергия върху хоризонтална повърхност е 1500 - 1850 kW o час / m 2.

Основните насоки на работа в областта на преобразуването на слънчевата енергия в момента са:

— директно топлинно нагряване (получаване на топлинна енергия) и термодинамично преобразуване (получаване на електрическа енергия с междинно преобразуване на слънчевата енергия в топлина);

— фотоелектрическо преобразуване на слънчева енергия.

Директното термично отопление е най прост методпреобразуване на слънчева енергия и се използва широко в южните райони на Русия и в страните от екваториалния пояс в слънчеви отоплителни инсталации, доставка топла вода, охлаждане на сгради, обезсоляване на вода и др. Основата на слънчевите топлоизползващи инсталации са плоските слънчеви колектори - абсорбатори на слънчева радиация. Водата или друга течност, която е в контакт с абсорбера, се нагрява и отстранява от него с помощта на помпа или естествена циркулация. След това загрятата течност влиза в склад, откъдето се консумира според нуждите. Това устройство напомня системите за битово горещо водоснабдяване.

Електричеството е най-удобният вид енергия за използване и пренос. Ето защо е разбираем интересът на изследователите към разработването и създаването на слънчеви електроцентрали, които използват междинното преобразуване на слънчевата енергия в топлина с последващото й преобразуване в електричество.

Има два вида слънчеви топлоелектрически централи, които сега са най-разпространени в света: 1) тип кулас концентрация на слънчева енергия върху един слънчев приемник, извършена с помощта на голям брой плоски огледала; 2) диспергирани системи от параболоиди и параболични цилиндри, в центъра на които са разположени топлинни приемници и преобразуватели с ниска мощност.

2. РАЗВИТИЕ НА СЛЪНЧЕВАТА ЕНЕРГЕТИКА

В края на 70-те – началото на 80-те години различни страниПо света са изградени седем пилотни слънчеви електроцентрали (СЕС) от така наречения тип кула с ниво на мощност от 0,5 до 10 MW. Най-голямата слънчева електроцентрала с мощност 10 MW (Solar One) е построена в Калифорния. Всички тези слънчеви електроцентрали са изградени на един и същ принцип: поле от хелиостатни огледала, разположени на нивото на земята, които проследяват слънцето, отразяват слънчевите лъчи върху приемник, монтиран в горната част висока кула. По същество приемникът е слънчев котел, в който се генерира водна пара със средни параметри, която след това се изпраща към стандартна парна турбина.

Вторият проект, слънчевата електроцентрала PHOEBUS tower, се изпълнява от немски консорциум. Проектът включва създаване на демонстрационна хибридна (слънчево-гориво) слънчева електроцентрала с мощност 30 MW с обемен приемник, в който ще се отоплява атмосферен въздух, който след това се изпраща в парния котел, където се генерира водна пара, която работи в цикъла на Ранкин. По пътя на въздуха от ресивера до котела горелка трябва да изгаря природен газ, чието количество се регулира така, че да поддържа определената мощност през целия ден. Изчисленията показват, че например при годишна слънчева радиация от 6,5 GJ/m2 (подобна на тази, характерна за южните райони на Украйна), тази слънчева електроцентрала, която има обща хелиостатна повърхност от 160 хиляди m2, ще получи 290,2 GW *h/година слънчева енергия, а количеството енергия, внесено с гориво, ще бъде 176,0 GWh/година. В същото време слънчевата централа ще генерира 87,9 GWh електроенергия годишно при среден годишен КПД от 18,8%. При такива показатели може да се очаква себестойността на електроенергията, произведена в слънчева централа, да бъде на нивото на ТЕЦ, използващи изкопаеми горива.

От средата на 80-те години в Южна Калифорния компанията LUZ създаде и пусна в търговска експлоатация девет слънчеви електроцентрали с параболични цилиндрични концентратори (PCC) с единични мощности, които се увеличиха от първата слънчева електроцентрала до следващата от 13,8 до 80 MW. . Общият капацитет на тези слънчеви електроцентрали достига 350 MW. В тези SES са използвани PCC с апертура, която се увеличава по време на прехода от първите SES към следващите. Чрез проследяване на слънцето по една ос, концентраторите фокусират слънчевата радиация върху тръбни приемници, затворени в евакуирани тръби. Вътре в приемника тече охлаждаща течност с висока температура, която се нагрява до 380°C и след това пренася топлината на водната пара към парогенератора. Конструкцията на тези слънчеви електроцентрали предвижда и изгаряне на определено количество природен газ в парогенератор за производство на допълнителна пикова електроенергия, както и за компенсиране на намалената изолация.

Тези слънчеви електроцентрали са създадени и експлоатирани по времето, когато в Съединените щати имаше закони, които позволяваха на слънчевите електроцентрали да работят без рентабилност. Изтичането на тези закони в края на 80-те години доведе до факта, че компанията LUZ фалира и изграждането на нови слънчеви електроцентрали от този тип беше спряно.

KJC (Kramer Junction Company), която управлява пет от деветте построени слънчеви електроцентрали (от 3 до 7), си постави за задача да повиши ефективността на тези слънчеви електроцентрали, да намали разходите за тяхната експлоатация и да ги направи икономически привлекателни в новите условия. В момента тази програма се изпълнява успешно.

Швейцария се превърна в един от лидерите в използването на слънчева енергия. По данни от 1997 г. тук са изградени около 2600 слънчеви инсталации на базата на фотоелектрически преобразуватели с мощност от 1 до 1000 kW. Програмата, наречена „Solar-91“ и изпълнявана под мотото „За енергийно независима Швейцария“, има значителен принос за решението екологични проблемии енергийна независимост на страната, която днес внася повече от 70% от енергията си. Слънчева електроцентрала с мощност 2-3 kW най-често се монтира на покриви и фасади на сгради. Тази инсталация произвежда средно 2000 kWh електроенергия годишно, което е достатъчно за битовите нужди на средностатистически швейцарски дом. Големите фирми монтират слънчеви инсталации с мощност до 300 kW върху покривите на производствени сгради. Такава станция покрива нуждите на предприятието от електроенергия с 50-60%.

В алпийските планини, където е нерентабилно да се полагат електропроводи, също се изграждат мощни слънчеви електроцентрали. Експлоатационният опит показва, че Слънцето вече е в състояние да задоволи нуждите на всички жилищни сгради в страната. Слънчевите инсталации, разположени на покриви и стени на къщи, на шумоизолации на магистрали, на транспортни и промишлени съоръжения, не изискват скъпа земеделска територия за тяхното разполагане. Автономна соларна инсталация край село Гримсел осигурява ток за денонощно осветление на пътния тунел. Близо до град Шур слънчеви панели, монтирани на 700-метров участък от шумоизолация, осигуряват 100 kW електроенергия годишно.

Съвременната концепция за използване на слънчевата енергия е най-пълно изразена при изграждането на сградите на завода за прозорци в Арисдорф, където на слънчевите панели с обща мощност 50 kW при проектирането е отредена допълнителна роля като подови и фасадни елементи. Ефективността на слънчевите преобразуватели значително намалява при силно нагряване, така че под панелите се полагат вентилационни тръбопроводи за изпомпване на външен въздух. Като декоративна облицовка действат тъмносини фотопреобразуватели, искрящи на слънце на южната и западната фасада на административната сграда, захранващи мрежата с електричество.

В развиващите се страни сравнително малки инсталации се използват за снабдяване с електричество на отделни къщи, а в отдалечените села за оборудване културни центрове, където благодарение на фотоумножителите можете да използвате телевизори и т.н. При това на преден план излиза не цената на електроенергията, а социалният ефект. Програмите за прилагане на PMT в тези страни се подкрепят активно международни организацииСветовната банка участва във финансирането им на базата на предложената от нея „Слънчева инициатива“. Например в Кения през последните 5 години 20 000 селски къщи са електрифицирани с помощта на фотоволтаици. Голяма програма за въвеждане на фотоумножители се реализира в Индия, където през 1986 - 1992г. 690 милиона рупии бяха изразходвани за инсталиране на PMT в селските райони.

В индустриализираните страни активното внедряване на фотоумножители се обяснява с няколко фактора. Първо, PMTs се считат за екологично чисти източници, които могат да намалят вредните ефекти върху заобикаляща среда. На второ място, използването на PMT в частни домове увеличава енергийната автономност и защитава собственика при възможни прекъсвания на централизираното захранване.

3. ФОТОВОЛТАИЧНО ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА СЛЪНЧЕВА ЕНЕРГИЯ

Важен принос за разбирането на механизма на действие на фотоелектричния ефект в полупроводниците е направен от основателя на Физико-техническия институт (PTI) Руска академияНауките академик A.F. Йофе. Той мечтаеше да използва полупроводникови фотоклетки в слънчевата енергия още през тридесетте години, когато B.T. Коломиец и Ю.П. Маслаковец създаде сярно-талиеви слънчеви клетки във Физикотехническия институт с рекордна за това време ефективност = 1%.

Широкото практическо използване на слънчеви панели за енергийни цели започва с изстрелването през 1958 г. на изкуствени спътници на Земята - съветския Спутник-3 и американския Авангард-1. Оттогава, повече от 35 години, полупроводниковите слънчеви панели са основният и почти единствен източник на енергия космически кораби големи орбитални станции като Салют и Мир. Обширната основа, натрупана от учените в областта на слънчевите батерии за космически приложения, също направи възможно разработването на работа върху наземната фотоволтаична енергия.

Основата на фотоклетките е полупроводникова структура с p-n преход, който се появява на границата на два полупроводника с различни механизми на проводимост. Имайте предвид, че тази терминология произхожда от английски думиположителен (положителен) и отрицателен (отрицателен). Различни видове проводимост се получават чрез промяна на вида на примесите, въведени в полупроводника. Така например атомите III група Периодичната таблица DI. Менделеев, въведен през кристална решеткасилиций, придават му дупкова (положителна) проводимост, а примесите от група V - електронна (отрицателна). Контактът на p или n-полупроводници води до образуване на контакт между тях електрическо поле, който играе изключително важна роля в работата на една соларна фотоклетка. Нека обясним причината за възникването на контактна потенциална разлика. Когато p- и n-тип полупроводници се комбинират в един единствен кристал, възниква дифузионен поток от електрони от n-тип полупроводник към p-тип полупроводник и, обратно, поток от дупки от p- към n-полупроводник. В резултат на този процес частта от p-тип полупроводник, съседна на p-n прехода, ще бъде заредена отрицателно, а частта от n-тип полупроводник, съседна на p-n прехода, напротив, ще придобие положителен заряд. Така в близост до p-n прехода се образува двойно зареден слой, който противодейства на процеса на дифузия на електрони и дупки. В действителност, дифузията има тенденция да създава поток от електрони от n-областта към p-областта, а полето на заредения слой, напротив, връща електрони в n-областта. По подобен начин полето в pn прехода противодейства на дифузията на дупки от p- към n-региона. В резултат на два процеса, действащи в противоположни страни(дифузия и движение на токоносители в електрическо поле), установява се стационарен, равновесно състояние: на границата се появява зареден слой, който предотвратява проникването на електрони от n-полупроводника и дупки от p-полупроводника. С други думи, в района p-n преходвъзниква енергийна (потенциална) бариера, за преодоляването на която електроните от n-полупроводника и дупките от p-полупроводника трябва да изразходват определена енергия. Без да спирам до описанието на ел характеристики p-nсъединение, което се използва широко в токоизправители, транзистори и други полупроводникови устройства, помислете работа p-nпреход във фотоклетки.

Когато светлината се абсорбира в полупроводник, двойките електрон-дупка се възбуждат. В хомогенен полупроводник фотовъзбуждането увеличава само енергията на електроните и дупките, без да ги разделя в пространството, т.е. електроните и дупките са разделени в „енергийното пространство“, но остават близо един до друг в геометричното пространство. За разделянето на токоносителите и появата на фотоелектродвижеща сила (фотоЕМП) трябва да съществува допълнителна сила. Най-ефективното разделяне на неравновесните носители става точно в областта на pn прехода. „Малцинствени“ носители, генерирани близо до p-n прехода (дупки в n-полупроводника и електрони в p-полупроводника), дифундират към p-n прехода, се улавят от полето на p-n прехода и се хвърлят в полупроводника, в който се превръщат основни носители: електроните ще бъдат локализирани в n-тип полупроводник, а дупките в p-тип полупроводник. В резултат на това полупроводникът от p-тип получава излишен положителен заряд, а полупроводникът от n-тип получава отрицателен заряд. Потенциална разлика - фотоЕМП - възниква между n- и p-области на фотоклетката. Полярността на фотоЕМП съответства на "директен" p-n отместванепреход, който намалява височината на бариерата и насърчава инжектирането на дупки от p-областта в n-областта и електрони от n-областта в p-областта. В резултат на действието на тези два противоположни механизма - натрупването на носители на ток под въздействието на светлината и изтичането им поради намаляване на височината на потенциалната бариера - при различни интензитети на светлината се установяват различни стойности на фотоволтажа. В този случай стойността на фотоволтажа в широк диапазон на осветеност нараства пропорционално на логаритъма на интензитета на светлината. При много висок интензитет на светлината, когато потенциалната бариера се оказва практически нулева, стойността на фотоЕМП достига „насищане“ и става равна на височината на бариерата при неосветения p-n преход. При излагане на пряка, както и на слънчева радиация, концентрирана до 100-1000 пъти, стойността на фотоЕМП е 50-85% от контактната потенциална разлика на p-n прехода.

По този начин процесът на възникване на фотоЕМП, възникващ при контактите на kp- и n-региони p-nпреход. Когато осветен pn преход е съединен накъсо, в електрическата верига ще протича ток, който е пропорционален на интензитета на осветяване и броя на двойките електрон-дупка, генерирани от светлината. Когато е включен в електрическа веригаполезен товар, като калкулатор със слънчева енергия, токът във веригата леко ще намалее. Обикновено електрическото съпротивление на полезния товар във веригата на слънчевата клетка се избира така, че да се получи максималната електрическа мощност, доставена на този товар.

Слънчевата фотоклетка е направена от пластина, направена от полупроводников материал, като силиций. В плочата се създават области с p- и n-видове проводимост. Методите за създаване на тези области включват, например, метода на дифузия на примеси или метода за отглеждане на един полупроводник върху друг. След това се правят долния и горния електрически контакт, като долният контакт е плътен, а горният контакт е направен под формата на гребенна структура (тънки ивици, свързани с относително широка токоприемна шина).

Основният материал за производство на слънчеви клетки е силиций. Технологията за производство на полупроводников силиций и фотоклетки на негова основа се основава на методи, разработени в микроелектрониката - най-развитата индустриална технология. Силицият, очевидно, като цяло е един от най-изследваните материали в природата, а също и вторият най-разпространен след кислорода. Като се има предвид, че първите слънчеви клетки са направени от силиций преди около четиридесет години, естествено е този материал да играе първа цигулка в слънчевите фотоволтаични енергийни програми. Фотоклетките, изработени от монокристален силиций, съчетават предимствата на използването на сравнително евтин полупроводников материал с високите параметри на устройствата, получени от него.

Доскоро слънчевите клетки за наземна употреба, както и за космически приложения, се изработваха на базата на сравнително скъп монокристален силиций. Намаляването на цената на първоначалния силиций, разработването на високоефективни методи за производство на пластини от слитъци и усъвършенствани технологии за производство на слънчеви клетки позволиха няколко пъти да намалят цената на наземните слънчеви клетки, базирани на тях. Основните области на работа за по-нататъшно намаляване на разходите за слънчева електроенергия са: получаване на елементи на базата на евтин, включително лента, поликристален силиций; разработване на евтини тънкослойни елементи на базата на аморфен силиций и други полупроводникови материали; Преобразуване на концентрирана слънчева радиация с помощта на високоефективни елементи на базата на силиций и сравнително нов алуминиево-галиево-арсенов полупроводников материал.

Френелова леща е плоча от плексиглас с дебелина 1–3 mm, едната страна на която е плоска, а от другата има профил под формата на концентрични пръстени, повтарящи профила на изпъкнала леща. Френеловите лещи са значително по-евтини от конвенционалните изпъкнали лещи и осигуряват степен на концентрация от 2 - 3 хиляди „слънца“.

IN последните годиниСветът постигна значителен напредък в разработването на силициеви слънчеви клетки, работещи при концентрирано слънчево лъчение. Силициеви елементи с ефективност >25% са създадени в условия на облъчване на земната повърхност при степен на концентрация 20 - 50 "слънца". Значително по-високи степени на концентрация позволяват фотоклетки на базата на полупроводниковия материал алуминий-галий-арсен, създаден за първи път във Физико-техническия институт. А.Ф. Йофе през 1969 г. В такива слънчеви клетки се постигат стойности на ефективност> 25% при нива на концентрация до 1000 пъти. Въпреки високата цена на такива елементи, техният принос към себестойността на генерираната електроенергия не се оказва решаващ, когато високи градусиконцентрация на слънчева радиация поради значително (до 1000 пъти) намаляване на тяхната площ. Ситуацията, при която цената на фотоклетките няма значителен принос към общата цена на слънчева инсталация, прави оправдано усложняването и увеличаването на цената на фотоклетката, ако това гарантира повишаване на ефективността. Това обяснява сегашното внимание, което се обръща на разработването на каскадни слънчеви клетки, които могат да постигнат значително увеличение на ефективността. В каскадна слънчева клетка слънчевият спектър е разделен на две (или повече) части, например видима и инфрачервена, всяка от които се преобразува с помощта на фотоклетки, направени от различни материали. В този случай се намаляват енергийните загуби на квантите на слънчевата радиация. Например при двуелементни каскади теоретичната стойност на ефективността надвишава 40%.

Уважаеми читатели! Екипът на библиотеката Ви пожелава Весела Нова година и Коледа! От сърце желаем на Вас и Вашите семейства щастие, любов, здраве, успехи и радост!
Нека следващата година ви даде просперитет, взаимно разбирателство, хармония и добро настроение.
Успех, просперитет и сбъдване на най-съкровените желания през новата година!

Тествайте достъп до EBS Ibooks.ru

Уважаеми читатели! До 31 декември 2019 г. на нашия университет е предоставен тестов достъп до EBS Ibooks.ru, където можете да се запознаете с всяка книга в режим на четене на пълен текст. Достъпът е възможен от всички компютри в мрежата на университета. За получаване на отдалечен достъп е необходима регистрация.

„Генрих Осипович Графтио – към 150 години от рождението му“

Уважаеми читатели! В раздел „Виртуални изложби” има нова виртуална изложба „Хенрих Осипович Графцио”. През 2019 г. се навършват 150 години от рождението на Генрих Осипович, един от основателите на хидроенергетиката у нас. Учен-енциклопедист, талантлив инженер и изключителен организатор, Генрих Осипович направи огромен принос за развитието на вътрешната енергетика.

Изложбата е подготвена от служители на отдела за научна литература на библиотеката. Изложбата представя произведения на Генрих Осипович от историческия фонд на LETI и публикации за него.

Можете да разгледате изложбата

Тествайте достъпа до електронната библиотечна система IPRbooks

Уважаеми читатели! От 8 ноември 2019 г. до 31 декември 2019 г. нашият университет получи безплатен тестов достъп до най-голямата руска пълнотекстова база данни - електронната библиотечна система IPR BOOKS. EBS IPR BOOKS съдържа повече от 130 000 публикации, от които повече от 50 000 са уникални образователни и научни публикации. В платформата имате достъп до актуални книги, които не могат да бъдат намерени в публичното пространство в Интернет.

Достъпът е възможен от всички компютри в мрежата на университета.

За да получите отдалечен достъп, трябва да се свържете с отдела електронни ресурси(стая 1247) до администратора на VCHZ Полина Юриевна Склеймова или на електронна поща [имейл защитен]с тема "Регистрация в книгите на МЧП".

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

1. Въведение

3.Физически ефект от работата

6. Перспективи за развитие

7. Списък на източниците

1. Въведение

Фотоелектричните преобразуватели (PVC) са електронно устройство, което преобразува фотонната енергия в електрическа енергия. Първата фотоклетка, базирана на външния фотоефект, е създадена от Александър Столетов.

Фотоелектрическият (или фотоволтаичният) метод за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа енергия в момента е най-развит в научно и практическо отношение. За първи път един от основателите на Съветския съюз обърна внимание на перспективата за използването му в мащабно производство на енергия през 30-те години. физическо училищеАкадемик А.Ф. Йофе. По това време обаче ефективността на слънчевите клетки не надвишава 1%.

Съвременните тенденции в световната енергетика стимулират значително нарастване на интереса към алтернативните енергийни източници. PV клетките или слънчевите клетки са най-обещаващите, екологични кандидати за намаляване на световната зависимост от петрола и, за разлика от органичните и неорганичните енергийни източници, преобразуват слънчевата радиация директно в електричество.

Слънцето е най-мощният източник на енергия в сравнение с всички други, достъпни за човека. Общата мощност на слънчевата радиация се изразява с огромна цифра: 4x1026 W, или 4x1014 милиарда kW. Тази цифра е толкова голяма, че е трудно да се избере за сравнение с нея подходяща стойност, която ни е позната в нашия земен мащаб. Дори близо до Земята, на разстояние около 150 милиона км от Слънцето, за всеки квадратен метър повърхност, разположена перпендикулярно на слънчевите лъчи, има 1,4 kW лъчиста енергия.

Средният радиус на Земята е 6370 km, а напречното сечение на Земята е 127,6x106 km2. Лесно се изчислява, че общата мощност на слънчевата радиация, достигаща Земята, е 178,6x1012 kW. От това следва, че през годината на Земята се предават 1,56x1018 kWh под формата на лъчиста енергия.

Както вече споменахме, на 1 m2 земна повърхност, разположена перпендикулярно на слънчевите лъчи, се пада 1,4 kW слънчева радиация, а на 1 m2 земна повърхност (сфера на Земята) се падат средно 0,35 kW.

Трябва обаче да се има предвид, че повече от половината енергия на слънчевата радиация не достига директно до повърхността на Земята (суша и океан), а се отразява от атмосферата. Смята се, че на 1 m2 суша и океан на земята има средно около 0,16 kW слънчева радиация. Следователно за цялата повърхност на Земята слънчевата радиация е близо до 1014 kW, или 105 милиарда kW. Тази цифра вероятно е много хиляди пъти по-висока не само от настоящите, но и от бъдещите енергийни нужди на човечеството.

Фотоволтаичните клетки се използват широко за захранване на главни захранващи системи и различно оборудване на космически кораби; Предназначени са и за презареждане на бордови химически батерии. В допълнение фотоволтаичните клетки се използват в наземни стационарни и мобилни обекти, например в атомни електроцентрали на електрически превозни средства. С помощта на слънчеви клетки, поставени върху горната повърхност на крилата, се задвижваше задвижващият електрически двигател на перката на едноместен експериментален самолет (САЩ), прелетял през Ламанша.

В момента предпочитаната област на приложение на FEP е изкуствени спътнициЗемя, орбитални космически станции, междупланетни сонди и други космически кораби.

Предимства на FEP:

Дълъг експлоатационен живот;

Достатъчна надеждност на хардуера;

Без разход на активно вещество или гориво.

Недостатъци на FEP:

Необходимостта от устройства за ориентация по Слънцето;

Сложността на механизмите, които разгръщат фотоволтаичните панели, след като космическият кораб влезе в орбита;

Неработоспособност при липса на осветление;

Сравнително големи площи на облъчени повърхности.

2. Конструкция и принцип на действие

Фотоклетка, базирана на външния фотоелектричен ефект, се състои от стъклена колба, от която е евакуиран въздух (така наречените вакуумни фотоклетки).

Вътрешната повърхност е покрита със слой фоточувствителен материал и е източник на електрони - фотокатод (ФК). В предната стена на колбата частта от нейната повърхност, която не е покрита с фоточувствителен слой, служи като прозорец, през който светлинните лъчи свободно преминават във фотоклетката. В центъра на колбата на крака има метален пръстен, анод, към който се прилага положително напрежение.

Електроните, излъчени от повърхността на фотокатода под въздействието на падаща върху него светлина, се привличат от електрическото поле на анода и създават фототок вътре във фотоклетката и електричествовъв веригата, в която е включена фотоклетката.

3.Физически ефект от работата

Фотоволтаичната работа се основава на вътрешния фотоелектричен ефект в полупроводниците. При всеки метод за производство на електричество е необходимо да има електрически заряди и да се осигури механизъм за тяхното разделяне. При индукционния метод свободните заряди на метални проводници се използват за генериране на електричество и тяхното разделяне се извършва в резултат на движението на проводниците в магнитно поле.

При фотоволтаичния метод за генериране на електричество няма механично движение на структурни части. Основава се на свойствата на полупроводниковите материали и тяхното взаимодействие със светлината. Във фотоволтаичната клетка свободните носители се образуват в резултат на взаимодействието на полупроводника със светлината и се разделят под въздействието на електрическо поле, което възниква вътре в елемента. По този начин абсорбцията на светлина в идеален полупроводник води до появата на двойка електрон-дупка, която съществува в полупроводника известно време, определено от живота, който от своя страна зависи от структурното съвършенство на полупроводниковия материал. Процесът на анихилация на двойки електрон-дупка се нарича рекомбинация.

Не всяко лъчение от светлинния диапазон причинява генерирането на двойка електрон-дупка, а само това, чиято енергия е достатъчна да разруши връзката на електрона с ядрото на атома. Следователно не всички полупроводници са чувствителни към слънчевата радиация в земни условия.

Както при всеки източник на захранване, на неговия изход се поддържа постоянна потенциална разлика, която, когато е свързана към външен товар, предизвиква протичане на ток във веригата.

По този начин генерираните двойки електрон-дупка трябва да бъдат разделени. Разделянето на положителните и отрицателните заряди възниква в резултат на фотоелектричния ефект. Фотоелектричният ефект възниква в полупроводникови диодни структури, когато те имат енергийна бариера, която разделя отрицателните и положителните носители на заряд. Енергийната бариера на повечето слънчеви клетки е вградено електрическо поле, което възниква на границата на два полупроводникови материала, които се различават по вида на електрическата проводимост (електронна - n-тип и дупка - p-тип). При поглъщане на фотони се генерират неравновесни двойки електрон-дупка, чието разделяне от вграденото електрическо поле води до образуването на фото-емф, която съществува, докато полупроводниковата структура е осветена от светлина.

Външните радиационни (светлинни, топлинни) влияния предизвикват появата на малцинствени носители на заряд в слоеве 2 и 3, чиито знаци са противоположни на знаците на основните носители на заряд в p- и n-области. Под въздействието на електростатичното привличане противоположните свободни мажоритарни носители дифундират през контактната граница на регионите и се образуват близо до й р-нхетеропреход.

Хетеропреходът е контакт между два различни полупроводника. Хетеропреходите обикновено се използват за създаване на потенциални ямки за електрони и дупки в многослойни полупроводникови структури.

Както бе споменато по-горе, свободните мажоритарни носители пресичат границата на контакт между регионите и образуват p-n хетеропреход близо до него с напрегнатост на електрическото поле EK, контактната потенциална разлика:

и потенциална енергийна бариера:

преобразувател на слънчеви електрически фотоклетки

за повечето превозвачи, имащи такса e.

Силата на полето EK предотвратява тяхната дифузия извън граничния слой с ширина S. Напрежение Uk е равно на:

зависи от температурата T, концентрациите на дупки или електрони в p- и n-области на електронния заряд e и константата на Болцман k. за второстепенните превозвачи EK е полето за управление. Той причинява движението на движещи се електрони от регион p към регион n и дупки от регион n към регион p. Област n придобива отрицателен заряд, а област p придобива положителен заряд, което е еквивалентно на прилагане към r-n преходпри външно електрическо поле с интензитет EВШ, противоположно на EK. Поле с интензитет EВШ е блокиращо за второстепенни превозвачи и движещо за големи превозвачи. Динамичното равновесие на потока от носители през pn прехода води до установяване на потенциална разлика U0 на електроди 1 и 4 - ЕМП на отворена верига на PV. Тези явления могат да се появят дори при липса осветление р-ппреход. Нека PV бъде облъчен от поток от светлинни кванти (фотони), които се сблъскват със свързани (валентни) електрони на кристала с енергийни нива W.

Ако фотонната енергия:

където v е честотата на светлинната вълна, h е константата на Планк, по-голяма от W, електронът напуска нивото и създава дупка тук; pn преходът разделя двойките електрон-дупка и ЕДС U0 се увеличава. Ако свържете съпротивлението на натоварване RN, през веригата ще тече ток I, чиято посока е противоположна на движението на електроните. Движението на дупките е ограничено от границите на полупроводниците; те не присъстват във външната верига. Токът I се увеличава с увеличаване на интензитета на светлинния поток Ф, но не надвишава ограничаващия ток In FE, който се получава чрез прехвърляне на всички валентни електрони в свободно състояние: по-нататъшно увеличаване на броя на незначителните носители е невъзможно. В режим K3 (RН=0, UН=IRН=0) напрегнатост на полето Evsh =0, p-n преход (напрегнатост на полето EK) най-интензивно разделя двойки незначителни носители и се получава най-висок ток на фотоклетката IФ за даден F. Но в K3 режим, както на празен ход (I=0), полезна мощност P=UНI=0, така и за 0 0.

4. Експлоатационни характеристики и параметри

Действителните условия на работа на фотоволтаичните преобразуватели (PVC) са свързани с периодично излагане на конструкциите на устройството на различни външни неблагоприятни фактори, водещи до влошаване на експлоатационните характеристики на PVC. На етапа на проектиране и разработване на нови фотоволтаични дизайни е важно да се сведе до минимум отрицателното влияние на външните фактори, доколкото е възможно, и като се вземе това предвид, да се оптимизира дизайнът на фотопреобразувателя. Определянето на големината на тези загуби, от една страна, ни позволява да установим причината за намаляването на ефективността (ефективността), от друга страна, да подобрим технологията на производство на слънчеви клетки.

Балансът на енергията, подадена към p-n прехода на слънчевата клетка, и енергията, отнета от нея, може да се представи като:

където Eg е забранената зона на полупроводника, Nc и Nv са ефективните плътности на състоянията съответно в краищата на зоната на проводимост и валентната зона; Iph=Isq - ток на късо съединение, In, Un - ток и напрежение при товара, съответстващи на максималната електрическа мощност Pel.max, доставена от фотоволтаичната проба.

където A - const, Io - ток на насищане.

В съответствие с израз (1) подадената радиационна енергия, загубената и разредена електрическа енергия са представени под формата на диаграма.Кривата на фигурата по-долу представлява характеристиката на натоварване

Правоъгълници 1 и 2 съответстват на загубите на енергия за нагряване на контактите, 3 - загуби на енергия в областта на p-n прехода, 4 - отстранена полезна електрическа енергия, 5 - загуби по време на рекомбинация на двойки електрон-дупка по време на потока на тъмен ток. Общо площта на всички правоъгълници съответства на енергията на подаденото лъчение.

По този начин определянето на характеристиката на натоварване на устройството ни позволява да установим съотношението на компонентите на енергийните загуби, а промяната на това съотношение при различни нива на осветеност и различни температури на фотоволтаичната проба ни позволява да анализираме причините и да оптимизираме дизайна на PV.

Тъмните характеристики ток-напрежение на слънчева клетка са подобни на характеристиките ток-напрежение на конвенционален полупроводников диод. Ако слънчева клетка бъде осветена със светлина, нейната характеристика ток-напрежение се променя. Характеристиката ток-напрежение на натоварването на фотопреобразувателя е зависимостта на тока на натоварване Iн, протичащ през съпротивлението Rн на външен товар, свързан към клемите на осветената слънчева клетка, от спада на напрежението Un през това съпротивление с монотонна промяна в стойност на Rн от нула до безкрайност. От зависимостта In =f(Un) могат да се получат и изчислят следните изходни параметри: напрежение на празен ход Uхх, ток на късо съединение Isc, коефициент на запълване FF, максимална електрическа мощност Рnmax.

Коефициент на полезно действие h:

където W е мощността на падащия светлинен поток; Uхх - напрежение на отворена верига; Is - ток на късо съединение, FF - коефициент на запълване на светлинната ток-напреженова характеристика.

Максимални стойности на ефективност на фотоклетки и модули, постигнати в лабораторни условия

Ефективността на фотоелектрическия преобразувател зависи от оптичните и електрофизичните свойства на полупроводниковия материал:

1. Отражението на светлината от повърхността на полупроводника, толкова повече светлина

прониква дълбоко в основния слой, толкова по-висока е ефективността.

2. Квантов добив на полупроводник, който показва отношението на броя на погълнатите фотони към броя на генерираните електрони. Този коефициент винаги е по-малък от единица, тъй като някои фотони се абсорбират от различни структурни несъвършенства на полупроводника, което не води до генериране на двойка електрон-дупка.

3. Дължина на дифузия на носители на заряд, която трябва да осигури възможност

дифузия на двойки до енергийната бариера, при която става тяхното разделяне. Връзката между дължината на дифузия на носителите на заряд, дълбочината на p-n прехода спрямо осветената повърхност и дебелината на полупроводниковия слой, разположен зад нея, трябва да бъде съвместно оптимизирана.

4. Спектрално положение на основната лента на поглъщане на слънчевата радиация

5. От изправителните характеристики на p-n прехода, които определят ефективността на разделяне на носители на заряд.

6. Степента на легиране на полупроводниковите области от двете страни на p-n прехода, която

заедно с изискването за минимизиране на съпротивлението на други фотоволтаични слоеве, формата и местоположението на токоприемните контакти осигуряват ниско вътрешно последователно електрическо съпротивление на източника на ток.

5. Конструктивни и технологични решения на фотоволтаични клетки на базата на монокристален силиций

По своето конструктивно и технологично решение фотоелектрическите преобразуватели са високотехнологични електронни продукти. Най-често срещаните, надеждни и издръжливи са слънчевите клетки на основата на монокристален силиций, които за първи път бяха използвани преди десетилетия за захранване на космически кораби. През 2000 г. фотоволтаични клетки, базирани на монокристали, с общ капацитет от 200 MW бяха пуснати за наземни приложения.

Желанието да се съгласуват често взаимно изключващи се изисквания и да се намери оптималното

компромисно техническо решение накара разработчиците да изберат оригиналния фотоволтаичен дизайн, показан на фигурата по-долу. За монокристални силициеви фотоволтаични преобразуватели с хомогенен p-n преход, които в момента заемат водеща позиция в приложения както в космически, така и в земни условия, най-често се използва този проектен подход, оптимизиран за конкретни приложения.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

6. Перспективи за развитие

Високата цена на инсталациите се определя от високата цена на соларните модули. При производството на монокристални силициеви слънчеви клетки се изразходва такова количество енергия и труд, което няма да се изплати през целия период на тяхната експлоатация (20-25 години). В същото време фотоволтаичните клетки, базирани на поликристална силициева лента, са доста търговски привлекателни, въпреки по-ниските си стойности на ефективност, тъй като по време на работа те генерират много повече електроенергия, отколкото е изразходвано за тяхното производство.

Според повечето учени най-обещаващите за използване на земята са тънкослойните слънчеви клетки, чиято ниска цена при масово производство и с достатъчна ефективност се определя от намаляване на дебелината на фотоклетката със 100 пъти. Най-висока ефективност демонстрират слънчеви клетки на базата на филми от полупроводникови поликристални съединения Cu(In,Ga)Se2, CdTe с дебелина от порядъка на няколко микрона и филми от хидрогениран аморфен силиций aSi:H.

7. Списък на източниците

1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. "Фотоелектрично преобразуване на концентрирана слънчева радиация"

2. Шутов С.В., Аппазов Е.С., Марончук А.И. „Тестване на фотоволтаични преобразуватели при условия на екстремни температурни колебания“

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://www.solar-odessa.com.ua/rus/documents/tech/photovoltage.pdf

Публикувано на Allbest.ru

Подобни документи

Преглед на методите за измерване на физични величини и техния сравнителен анализ. Принцип на действие на фотоелектричните преобразуватели. Прекомерна печалба. Източници на грешки от приемници на радиация. Грешки поради нестабилност на условията на измерване.

курсова работа, добавена на 12/06/2014


Фотоелектрически приемници на лъчиста енергия. Електрически, фотоелектрични и оптични свойства на материалите. Фоторезистори, техните свойства и принцип на действие. Светлинни характеристики на фоторезисторите. Енергиен спектър на валентните електрони в материалите.

резюме, добавено на 15.01.2015 г


Конструкция, принцип на действие, описание на механични преобразуватели за измерване на сигнали под формата на еластичен лъч, пиезоелектрични, капацитивни, фотоелектрични и електромагнитни преобразуватели. Оценка на техните числени стойности с помощта на изчисления.

курсова работа, добавена на 11.11.2013 г


Свойства на индуктивни, капацитивни, магнитострикционни, реостатни и преобразуватели на Хол. Основни изисквания към преобразувателя, принципа на неговото действие. Изчисляване на функцията на преобразуване, чувствителност, основни параметри и грешка.

курсова работа, добавена на 29.07.2013 г


Използването на аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) за преобразуване на непрекъснати сигнали в дискретни. Преобразуване на цифров сигнал в аналогов с помощта на цифрово-аналогови преобразуватели (DAC). Анализ на принципите на работа на АЦП и ЦАП.

лабораторна работа, добавена на 27.01.2013 г


Метод на електромеханичните аналогии: намаляване на анализа на механични устройства до анализ на еквивалентни електрически вериги. Електромеханични преобразуватели на механична енергия в електрическа. Основни системи на електромеханични преобразуватели.

резюме, добавено на 16.11.2010 г


Понятия и основни характеристики на трансформацията, методи за оценка на тяхната чувствителност, граници и грешки. Основни методи за преобразуване на неелектрични величини. Принципът на действие на параметрични и генераторни преобразуватели на неелектрически величини.

резюме, добавено на 01/11/2016


Схема на слънчева фотоволтаична инсталация. Избор на електродвигател и определяне на предавателни функции. Моделиране на система за автоматично управление с помощта на MATLAB. Избор на микроконтролер, двигателен драйвер и сензор за ниво на осветеност.

курсова работа, добавена на 08/11/2012


Фотоелектрични сензори за положение, характеристики, обхват на приложение, принцип на тяхното действие. Ултразвукови измервателни уреди с цифрови и аналогови изходи, техните предимства. Индуктивни сензори за положение и преместване, принцип на измерване, схема на свързване.

курсова работа, добавена на 25.04.2014 г


Слънчева батерия като обект за моделиране. Общи принципи за конструиране и отстраняване на грешки в математически модел на слънчеви батерии. Кристални полупроводникови материали. Препоръки за изграждане на фотоволтаични системи за космическо и наземно предназначение.