Университет ИТМО
Кафедра Оптико-электронных приборов и систем
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Реферат
Выполнил: студент гр B5408, Колебаев И.С.
Проверил: Прокофьев А.В
Санкт-Петербург
2016
ВВЕДЕНИЕ
Чтобы в материале возник ток, электроны должны получить некоторую дополнительную энергию, благодаря чему они занимают новые разрешенные уровни в энергетических зонах. Электроны с энергиями, соответствующими заполненной, или валентной зоне, не могут перемещаться, если им не сообщить энергию, достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Для преодоления запрещенной зоны электроны в таких естественных полупроводниках, как германий или кремний, должны получить энергию порядка 1 эВ. Но именно такой энергией обладают фотоны света. Принцип действия полупроводникового фотоэлектрического генератора заключается в следующем: при поглощении фотонов солнечной радиации электроны приобретают дополнительную энергию и перемещаются в зону проводимости. Энергия каждого электрона возрастает на величину, соответствующую ширине запрещенной зоны. Обычно электрон остается в этом состоянии в течении очень короткого времени. Затем он рекомбинирует с ионом, а высвобождающаяся при этом энергия идет на усиление колебаний решетки или же переизлучается. Как мы знаем, усиление колебаний ионов в кристаллической решетке твердого тела приводит к повышению его температуры. Именно этого следует избегать. В фотоэлектрическом генераторе возбужденные светом электроны проходят через полупроводниковый материал и успевают отдать избыток энергии полезной нагрузке, прежде чем израсходуют его на другие взаимодействия. Пытаясь избежать стадии превращения солнечной энергии в тепловую, мы надеемся освободиться от определенных термодинамических ограничений, но, к сожалению, природа воздвигает перед нами новые препятствия.
Существует такая длина волны, когда энергия фотонов оказывается недостаточной, чтобы возбужденные ими электроны могли перескочить через запрещенную зону. Например, ширина запрещенной, зоны для кремния при обычных температурах составляет около 1,1 эВ, что соответствует энергии фотона с длиной волны около 1,1 мкм. Около 20% солнечной радиации у поверхности земли на уровне моря приходится на более длинные волны, таким образом они выпадают из сферы действия устройств на основе кремния. К сожалению, и более коротковолновую радиацию также нельзя использовать полностью. Поскольку электроны перемещаются только на разрешенные уровни, то возбужденное состояние долго сохраняют лишь те электроны, энергия которых близка к ширине запрещенной зоны. При облучении материала более энергичными фотонами избыток энергии электронов быстро расходуется на усиление колебаний решетки вещества, то есть на повышение его внутренней энергии. Таким образом, при облучении кремния фотонами с длиной волны 0,6 мкм (соответственно с энергией около 2,0 эВ) электрон может «принять» лишь 1,1 эВ, остаток же энергии бесполезно тратится на повышение температуры материала.
Теперь ориентировочно оценим максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью идеального фотоэлектрического генератора. Эта эффективность частично зависит от распределения энергии в спектре солнечной радиации, которое изменяется в зависимости от метеорологических условий и широты местности.
Таблица 1. Максимальная эффективность преобразования солнечной энергии в кремнии (граничная длина волны 1,1 мкм)
Приведенные в третьей колонке значения получены как отношение средней длины волны интервала к-граничной длине волны, соответствующей ширине запрещенной зоны. Фотоны с длинами волн, превышающими граничную длину волны, вообще не возбуждают электроны.
Расчеты, проведенные для различных граничных длин волн, показывают, что кремний (λ3 = 1,1 мкм) является, по-видимому, самым лучшим материалом для фотоэлектрических генераторов, хотя его максимальный коэффициент полезного действия для некоторого интервала длин волн достигает всего лишь 45%. Следовательно, коэффициент полезного действия подобных фотоэлектрических устройств не превышает 45%. К сожалению, в реальных устройствах коэффициент полезного действия оказывается еще меньше. Чтобы объяснить это, нам следует более подробно рассмотреть процесс получения энергии от электронов, возбуждаемых солнечной радиацией.
ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
При наличии внешней цепи последняя соединяется с полупроводниками в точках, называемых контактами. Обычно внешняя цепь образована металлическими проводниками, и. в месте контактов металл — полупроводник вследствие диффузии электронов образуются новые обедненные слои (только в полупроводниках), подобные тем, которые возникают в р-n - переходах. Такие «полупереходы» препятствуют возникновению при равновесии в местах контактов разности потенциалов, о которой говорилось выше. (Фактически для любой внешней цепи ориентировочно можно считать, что изменения потенциала на каждом из таких зажимов вдвое меньше по сравнению с его изменениями на стыке двух полупроводников.) Если бы это условие не выполнялось, то при подключении внешней цепи под воздействием света, падающего на генератор, равновесие зарядов должно было бы нарушиться. Мы видели, что при переходе электронов в кристалл n-типа, а дырок в кристалл
р-типа первый как бы заряжается относительно второго. В результате возникает новое состояние равновесия, которому соответствует иное распределение потенциала, сопровождаемое появлением разности потенциалов на контактах, называемой напряжением разомкнутой цепи. При слабом освещении оно мало, поскольку количество образующихся пар электрон-дырка значительно меньше количества основных носителей в легированном полупроводнике. Однако с повышением интенсивности освещения напряжение V0 разомкнутой цепи возрастает до тех пор, пока оно не достигнет величины Е0, когда преобладание этих новых носителей приведет к исчезновению скачка потенциала в области перехода.
Другим (предельным) режимом работы генератора является режим короткого замыкания. Если свободные концы кристаллов соединены проводом, сопротивлением которого можно пренебречь, то уровень Ферми должен быть одинаков в обоих кристаллах. В этом случае пары электрона-дырка, возникающие при световом воздействии, должны интенсивно разделяться в области перехода, поскольку этому способствует разность потенциалов, существующая на переходе. Ток короткого замыкания прямо пропорционален интенсивности падающей на полупроводники радиации. Но поскольку сопротивление внешней цепи близко к нулю, то работы в ней не совершается.
Очевидно, с практической точки зрения представляет интерес некоторое промежуточное положение, когда во внешнюю цепь включена нагрузка, падение напряжения на которой не равно 0 (в отличие от режима короткого замыкания) и через которую проходит ток (в отличие от режима холостого хода). Разность потенциалов V, обеспечивающая прохождение тока в нагрузке, определяется разностью уровней Ферми в контактирующих кристаллах. Положения этих уровней и границ энергетических зон схематически показаны на Рисунке 1.
Рисунок 1 – Энергетические уровни освещенного p-n – перехода при наличии внешней нагрузки
В этом случае скачок потенциала на р-n - переходе, равный Е0-V, меньше, чем в режиме короткого замыкания Е0. Следовательно, разделение пар электрон-дырка, генерируемых при освещении р-n - перехода, происходит менее интенсивно, чем в режиме короткого замыкания. Тогда при одной и той же интенсивности радиации Р с повышением напряжения V плотность тока j падает. Это обусловлено тем, что если первоначально достаточно большой скачок потенциала препятствовал перемещению части носителей, то при повышении V и, следовательно, уменьшении потенциального барьера они получают возможность «перескакивать» его. Такие кривые можно получить и расчетным путем на основании анализа сложного поведения освещаемого р-n - перехода.
Рисунок 2 – Энергетические уровни освещенного p-n – перехода при наличии внешней нагрузки
По рисунку 2 мы можем найти соотношение между током и падением напряжения на нагрузке. Однако нас интересует произведение этих величин j*V, поскольку оно характеризует получаемую в нагрузке мощность, приходящуюся на единицу освещенной поверхности перехода. Из рисунка 74 мы видим, что произведение j*V максимально в том случае, когда вписанный в эти кривые прямоугольник имеет наибольшую площадь. Такому режиму работы генератора соответствует отмеченная на графике точка А. В этом случае падение напряжения на нагрузке можно принять равным 0,5 Е3 (где Е3 — ширина запрещенной зоны). Плотность тока при этом мало отличается от плотности тока в режиме короткого замыкания, когда ток, возникающий за счет образования при воздействии света пар электрон — дырка, максимален. Величина этого тока зависит от того, насколько эффективно происходит разделение пар (без учета их частичной рекомбинации, которая в настоящее время пока еще не поддается точному расчету). Экспериментальные данные показывают, что при правильном выборе материалов и достаточно освещенной конструкции генераторов можно добиться того, чтобы в процессе генерирования полезной мощности участвовало не менее 80% всех возникающих под действием света пар электрон — дырка. В режиме, соответствующем выбранной нами рабочей точке, используется около 70% таких носителей. Следовательно, величина полезной мощности составляет около 0,5*0,7 = 0,35, то есть 35% от идеального значения определенной ранее выходной мощности, которая соответствует максимальному коэффициенту полезного действия преобразования энергии фотонов. Там же было показано, что в процессе преобразования участвуют лишь около 45% солнечной энергии. Согласно нашим оценкам, реально мы можем рассчитывать лишь на 35% от этого значения, то есть не более 16% солнечной энергии можно превратить в полезную мощность. Коэффициент полезного действия многих реальных фотоэлектрических генераторов составляет лишь около 15%, так что паши оценки вполне верны.
Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным с рисунка 3.
Рисунок 3 – Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора интенсивности солнечного излучения
Как следует из рисунка 3, при малой интенсивности солнечной радиации коэффициент полезного действия ее преобразования заметно снижается, так как в этом случае на нагрузке невозможно получить достаточно большой разности потенциалов. Снова мы имеем прибор с низковольтным выходом: выходное напряжение кремниевых генераторов составляет около 0,6 В. При интенсивности солнечной радиации Р = 800 Вт/м2 полезная мощность практически не превышает 130 Вт/м2. Следует избегать того, чтобы эта энергия затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в противном случае возбужденные носители могут преодолевать потенциальный барьер различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки непосредственно связана с температурой, то в равной мере мы можем говорить о необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100° С коэффициент полезного действия установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или лучеиспускание.
В настоящее время в фотоэлектрических генераторах («солнечные батареи» космических кораблей и и других автономных объектов «малой энергетики») обычно применяются полупроводники, полученные при разрезании одного кристалла. Устройство такого типа схематически показано на рисунке 4. В заключение этой главы рассмотрим некоторые возможные пути усовершенствования фотоэлектрических генераторов.
Рисунок 4 – Типы фотоэлектрических генераторов (а – однокаскадный, б – многокаскадный)
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Уже несколько лет небольшие фотоэлектрические системы применяются в коммунальном электро-, газо- и водоснабжении, доказав свою экономичность. В большинстве своем они имеют мощность до 1 кВт и включают в себя аккумуляторы для накопления энергии. Они выполняют множество функций: от питания сигнальных огней на опорах ЛЭП для оповещения самолетов до контроля качества воздуха. Они продемонстрировали надежность и долговечность в коммунальном хозяйстве и готовят почву для будущего внедрения более мощных систем.
Энергоснабжающие предприятия изучают возможности фотоэлементов с точки зрения увеличения генерирующей мощности и удовлетворения все возрастающих требований к экологической и производственной безопасности. Крупные солнечные электростанции, состоящие из множества фотоэлектрических батарей, могут оказаться весьма полезными для энергокомпаний. Их создание занимает меньше времени, чем строительство традиционных электростанций, так как солнечные панели легко устанавливать и соединять. Компания может строить фотоэлектрические станции там, где в них есть потребность, так как размещение фотобатарей гораздо проще, чем выбор участка для традиционной электростанции. И, в отличие от традиционных электростанций, их можно расширять по мере необходимости. Наконец, фотоэлектрические станции работают бесшумно, не потребляют ископаемого топлива и не загрязняют воздух и воду. К сожалению, фотоэлектрические станции пока еще не очень динамично входят в арсенал коммунальных сетей, что можно объяснить их особенностями. При современном методе подсчета стоимости энергии, солнечное электричество все еще значительно дороже, чем продукция традиционных электростанций. К тому же фотоэлектрические системы вырабатывают энергию только в светлое время суток, и их производительность зависит от погоды.
Поэтому при планировании энергосистемы нужно учитывать эти особенности фотоэлектрической станции, чтобы правильно вписать ее в существующую систему производства, передачи и распределения энергии. Фотоэлектрические станции, тем не менее, занимают все больше места в планах энергопроизводителей. Например, в США коммунальные предприятия изучают возможность подключения фотоэлектрических систем к энергосетям в тех местах, где они имеют большую ценность. Так, добавление фотоэлектрической системы в непосредственной близости от потребителя помогает избежать потерь энергии, связанных с передачей на большие расстояния. Следовательно, фотоэлектрическая система имеет большую ценность для компании, если она расположена возле потребителя. Их можно также устанавливать на тех участках распределительной системы, которые обслуживают районы с быстро растущим населением. В этом случае фотоэлектрические установки устраняют необходимость увеличивать протяженность ЛЭП. Установка фотоэлектрических систем возле подстанций, распределяющих энергию, может предотвратить перегрузку расположенного на них оборудования.
Фотоэлементы не похожи ни на один источник энергии, который когда-либо использовался коммунальными предприятиями. Они требуют крупных начальных вложений, зато стоимость топлива равна нулю. Постройка угольных и газовых электростанций вначале обходится дешевле (относительно их производительности), но потом они требуют постоянных расходов на закупку топлива. Цена на топливо колеблется, и неизвестно, как она будет изменяться в будущем в связи с развитием природоохранного законодательства. Цены на ископаемые виды топлива будут расти, тогда как общая стоимость фотоэлементов (да и других возобновляемых источников энергии), как ожидается, будет продолжать падать, особенно если принимать во внимание их преимущества для окружающей среды.
СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ
Существуют только два долговременных источника энергии: это ядерная и солнечная. В последние 10 лет в мире накоплен огромный положительный опыт по организации автономного энергосбережения индивидуальных и коллективных потребителей электроэнергии. Это возможно путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных фотоэлектрических панелей.
Солнечная батарея (фотоэлектрический генератор, преобразующий энергию солнечного излучения в электрическую энергию) впервые была применена 1958 г. на «Спутнике-3».
С тех пор на всех космических аппаратах, кроме транспортных космических кораблей с малым ресурсом самостоятельного полета, первичными источниками электроэнергии являются солнечные батареи.
Применение солнечных батарей в космосе стимулировало развитие фотоэлектрической энергетики, а в последние десятилетия все более широко фотоэнергетика стала использоваться в наземных условиях.
Использование солнечных батарей малой мощности в качестве источника электропитания малоэнергоемких приборов: калькуляторов, часов и т. д. - наиболее распространенное направление фотоэнергетики. Другое направление - использование солнечных батарей значительной мощности (сотни и тысячи ватт) для электроснабжения автономных объектов, расположенных вдали от линий электропередач, где другие способы электроснабжения невозможны или экономически нецелесообразны. Таким образом, можно решить проблему электроснабжения не только жилых объектов (освещение, электропитание холодильника, радио, телевизора и других электроприборов), но и некоторых малоэнергоемких объектов промышленного и народнохозяйственного назначения (радиоретрансляторы и другие объекты связи, навигационные знаки, резервные источники бесперебойного электропитания, сигнализация, водоподъемные установки и т.п.).
Как правило, в таких системах солнечные батареи используются совместно с буферными аккумуляторами, что обеспечивает стабильное энергоснабжение потребителей в любое время суток и вне зависимости от суточного и погодного изменения интенсивности солнечного излучения. Фотоэлектрическая система, помимо солнечных батарей, аккумуляторов и энергопотребителей, обычно содержит прибор электронного контроля, исключающий перезаряд аккумулятора и его глубокий заряд. В фотоэлектрических системах обычно применяются экономичные потребители. Например, люминесцентные лампы вместо ламп накаливания. В случаях, когда необходимо получить переменный ток, используют инверторы. Например, инвертор может преобразовать постоянный ток с напряжением в 12 В в переменный ток с напряжением 220 В, 50 Гц.
Существует еще одно схемное решение, когда энергия солнечных батарей преобразуется в переменный ток с напряжением 220 В и отдается в электросеть. В отличие от электроснабжения автономных потребителей такие проекты позволяют частично восполнить дневной дефицит электроэнергии в промышленных регионах.
В ряде случаев применяется комбинированное использование различных методов получения энергии: сочетание фотоэнергетики и ветроэнергетики, сочетание фотоэлектрических систем с гелиоустановками (например, с солнечными коллекторами), а также включение в систему резервных маломощных дизель-генераторов. Выбор конфигурации системы и ее характеристик производится с учетом временного графика предполагаемой нагрузки потребителей (суточным, месячным, годовым) и погодно-климатическими условиями региона. На основании этих данных проводится расчет емкости аккумуляторных батарей и определяются требования к комплектующему аккумуляторному оборудованию.
Создание мобильных солнечных переносных батарей с установленной мощностью от нескольких до нескольких сотен ватт и стационарных с установленной мощностью до нескольких кило ватт, по сути, определило создание мобильных солнечных станций. Все переносные приборы, устройства и установки, питание которых осуществляются от аккумуляторов различного типа и различной емкости, приобретают новые потребительские качества - вместо использования стационарных зарядных устройств или комплектов сменных аккумуляторов появляется возможность использования мобильных зарядных устройств в так называемых полевых условиях.
Сегодня затруднительно даже обозначить все сферы использования мобильных фотоэлектрических систем, они могут использоваться как зарядное устройство для портативных переносных компьютеров, переносной радио- и телевизионной аппаратуры, приборов геологической, химической и радиационной разведки, переносных системах освещения и даже подзарядки аккумуляторов транспортных средств.
Мобильные солнечные батареи использовались альпинистами для зарядки аккумуляторов средств связи при восхождении на Эверест. Несколько лет назад Д. Шпаро использовал раскладные портативные солнечные батареи для зарядки аккумуляторов средств связи и видеокамеры во время своего лыжного похода на Северный полюс.
Экипаж океанской яхты «Апостол Андрей» во время кругосветного путешествия использовал раскладные солнечные батареи в качестве резервного источника питания. Во время этого путешествия экипажу пришлось воспользоваться этим резервным источником после сильного шторма. Основное оборудование оказалось залитым водой, и экипаж смог выйти на связь только с помощью аварийной радиостанции, запитанной от солнечной батареи.
Мобильные фотоэлектрические системы испытывались военными на равнинных и горных территориях России и Казахстана для зарядки аккумуляторов штатных радиостанций различного типа. По их заключению, использование мобильных солнечных зарядных устройств повышает тактико-технические данные мобильных средств связи, находящихся на вооружении.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вопреки самым оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические генераторы по коэффициенту полезного действия пока еще не превосходят системы на основе механических тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий коэффициент полезного действия фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией, которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой—разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь очень малую часть величины Е3. Весьма вероятно, что проводимые в настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых указанные недостатки окажутся менее существенными.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 7.32-2001. СИСТЕМА СТАНДАРТОВ ПО ИНФОРМАЦИИ, БИБЛИОТЕЧНОМУ И ИЗДАТЕЛЬСКОМУ ДЕЛУ. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ. СТРУКТУРА И ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ.
2. Б. Дж. Бринкворт. Солнечная энергия для человека. – М.: Мир, 1976. – с.216 – 223
3. Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопресбразователи, М.,1971. – с. 40.
4. А. Черкасский, Л. Силин. Общие и теоретические вопросы электротехники. Новые источники тока. Том 5. Термоэлектрические и фотоэлектрические генераторы. М.: Москва, 1972. – с. 135.
(zip - application/zip)
Статистика файлового архива
