Солнечная энергетика

    Дисциплина: Химия и физика
    Тип работы: Доклад
    Тема: Солнечная энергетика

    Солнечная энергетика
    Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света,
    гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и
    ограниченностью традиционных земных ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной
    энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление –
    фотовольтаику.
    Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени закрывала им путь в области, где без них можно обойтись. Но времена меняются, и экономически передовые
    государства в своих национальных программах уже стимулируют массовое применение солнечных батарей. Что это — дань моде, транснациональное лоббирование чьих-то интересов или устойчивая
    тенденция, время которой пришло?
    Источник, который не иссякнет.
    Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6*10
    11 кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4*10
    20 Дж энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2*10
    30 кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии.
    Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина – 1353
    Вт/м2. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния
    излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной
    массой” (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.
    На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной
    атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она
    аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного
    излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691
    Вт/м
    2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).
    Рис. 1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения
    Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.
    Основные принципы работы солнечных батарей
    Рис.2. Конструкция солнечного элемента
    Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2. На
    малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной
    металлический контакт.
    Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой
    глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
    Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные
    электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.
    Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 3а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой –
    положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между
    p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой –
    положительному.
    Рис.3. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение
    фотоЭДС
    Величина установившейся
    фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением
    вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 4):
    U = (
    ln((
    ph-I)
    s/+1)
    где
    s– ток насыщения, а
    ph – фототок.
    ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник тока I
    ph=SqN
    0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0)
    собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен
    kT–1]. p-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.
    Рис.4.
    Вольт-амперная характеристика солнечного элемента
    Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока
    Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 4).
    Рис.5. Эквивалентная схема солнечного элемента
    Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна
    ph*U =
    кз*U
    хх ,
    где
    x – коэффициент формы или коэффициент заполнения
    вольт-амперной характеристики,
    кз – ток короткого замыкания,
    хх – напряжение холостого хода.
    Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов
    Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:
    оптический коэффициент поглощения (
    a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
    полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (
    джоулево тепло) в процессе работы;
    структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить
    закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
    Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было
    обращено на такие материалы, как спла...

    Забрать файл

    Похожие материалы:


    Добавить комментарий
    Старайтесь излагать свои мысли грамотно и лаконично

    Введите код:
    Включите эту картинку для отображения кода безопасности
    обновить, если не виден код



ПИШЕМ УНИКАЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Заказывайте напрямую у исполнителя!


© 2006-2016 Все права защищены