Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Альтернативная энергетика

Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

  • - по виду преобразования солнечнои? энергии в другие виды энергии - тепло или электричество;
  • - по концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов;
  • - по техническои? сложности - простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первыи? базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанции?.

К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второи? подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок [8, с. 116]:

солнечные коллекторы;?

солнечные фотоэлектрические преобразователи.?

Далее рассмотрим основные физические принципы и основы преобразования солнечнои? энергии, а также способы, схемы и конкретные установки, преобразующие энергию Солнца.

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этои? энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечныи? свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральныи? состав солнечного излучения, доходящего до земнои? поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевои? воздушнои? массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC=1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земнои? поверхности в любои? момент дня определяется по формуле

AM (x)= ,

где x - атмосферное давление, Па;?

x0- нормальное атмосферное давление (1,013·105Па);

и - угол высоты Солнца над горизонтом [16, с. 56].

Наиболее характернои? в земных условиях является величина АМ 1,5 (и ? 42°). Она принята за стандартную при интегральнои? поверхностнои? плотности солнечного излучения EC= 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследовании? различных солнечных элементов.

На рис. 2 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучеи? на приемную площадку.

Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения [9]

Рисунок 2 Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения [9]:

1- внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 - наземное стандартизованное излучение (АМ 1,5); 3 - спектр излучения абсолютно черного тела при?TC=5800К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длинои? волны л определяется из соотношения:

hv= h= ,

где h - постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с;

c - скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с;

?л - длина волны, мкм.

Электронвольт - работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =1,6·10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которои? фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с ширинои? запрещеннои? зоны Eg

лг = 1,24/ Eg.

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона - характеризуется отсутствием энергетических уровнеи?, различна по ширине для разных материалов [17, с. 76].

Простеи?шая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 3. На малои? глубине от поверхности кремниевои? пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошнои? металлическии? контакт.

Конструкция простеи?шего солнечного элемента [17]

Рисунок 3 Конструкция простеи?шего солнечного элемента [17]

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемои? поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн.

Рассмотрим вначале два краи?них случая: Rн = 0 (режим короткого замыкания) и Rн = ? (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 4. а, б.?

Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении [10]

Рисунок 4 Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении [10]:

а - в режиме короткого замыкания; б - холостого хода; в - включения на сопротивление нагрузки.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зоннои? диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между nи p областями.

Однако через p-n-переход и внешнии? проводник течет ток, обусловленныи? фотогенерациеи? электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственнои? близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n область [10, с. 47].

Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутои? внешнеи? цепи p-n-перехода (рис.4, б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в неи? и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U х.х. Полярность U х.х соответствует прямому смещению p-n-перехода. Поток генерированных светом носителеи? образует фототок Iф . Величина Iф равна числу фотогенерированных носителеи?, прошедших через p-n переход в единицу времени

Iф=q,

где q - величина заряда электрона;

Pи - мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждыи? поглощенныи? фотон с энергиеи? hv ? Eg создает одну электронно-дырочную пару.

Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs. При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе ражим короткого замыкания (рис. 5, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания Iк.з равен фототоку

Iк.з =Iф.

В режиме холостого хода (рис. 4, б) фототок уравновешивается «темновым» током Iт - прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uхх.

Производство структур на основе монокристаллического кремния - процесс технологически сложныи? и дорогостоящии?. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (aSi:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфныи? кремнии? выступил в качестве более дешевои? альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщинои? 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек [1, с. 156].

Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большои? площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальныи? КПД экспериментальных элементов на основе аSi:Н - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка - 16 %.

Арсенид галлия - один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батареи?. Это объясняется следующими его особенностями:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина за прещеннои? зоны 1,43 эВ;

повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слои? толщинои? всего в несколько микрон;

высокая радиационная стои?кость, что совместно с высокои? эффективностью делает этот материал чрезвычаи?но привлекательным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батареи? на основе GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе - широкии? диапазон возможностеи? для дизаи?на СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большои? точностью управлять генерациеи? носителеи? заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичныи? солнечныи? элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основнои? недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования [18, с. 258].

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечнои? энергетики.

Чрезвычаи?но высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещеннои? зоны - 1,0 эВ).

Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечнои? батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещеннои? зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устрои?ства. Один из основных способов получения CuInSe2 - электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованнои? воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2-2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) - еще один перспективныи? материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещеннои? зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свои?ствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачныи? контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокои? подвижностью носителеи? заряда, а солнечные элементы на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Отметим, что среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного деи?ствия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок - ~11%.

Основа солнечны элементов данного типа - широкозонныи? полупроводник, обычно TiO2, покрытыи? монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрои? инжекции электрона в зону проводимости TiO2.

При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрическии? ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленныи? краситель.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Право
Психология
Религиоведение
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее