Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В результате этого возникает ЭДС, составляющая в бестоковом состоянии приблизительно 0,6 В; если внешняя электрическая цепь замкнута, то в ней возникаетэлектрический ток. При нормальной токовой нагрузке напряжение фотоэлемента равно приблизительно 0,5 В.64Электропитание РЭАГлава 2Чтобы предотвращать нежелательное отражение излучения с поверхностифотоэлемента, её покрывают антиотражающим слоем, в качестве которогообычно используют двуокись титана.Суммарная толщина фотоэлемента находится в настоящее время обычнов пределах от 0,2 мм до 0,3 мм, а его площадь может достигать 15×15 см2.
Дляполучения подходящего напряжения и тока фотоэлементы объединяют путёмкомбинирования последовательного и параллельного соединений в модули, ате, в свою очередь, в батареи или их секции.Фотоэлектрический эффект (в электропроводящей жидкости) открыл в1839 г. француз Александр Эдмонд Беккерель. В 1877 г. английские физикиУильям Грильс Адамс и Р. Э. Дей изготовили первый (селеновый) вентильныйфотоэлемент.
Но только в 1954 г. в США при целенаправленном вводе в кремний различных добавок удалось изготовить фотоэлемент с КПД приблизительно 6%, пригодный для практического применения, и 4 октября 1955 г. там жебыла собрана первая в мире солнечная батарея. В июле 1962 г. солнечная батарея, состоящая из 3600 фотоэлементов, была установлена на искусственномспутнике связи "Telstar-1", после чего началось использование фотоэлементовкак на искусственных спутниках Земли, так и в качестве источников электроэнергии различных наземных установок.
В конце 2006 г. общая мощность наземных энергетических солнечных батарей составляла приблизительно 8 ГВт, иежегодный прирост их мощности в настоящее время равен приблизительно60%.Модули фотоэлементов изготавливают мощностью от нескольких милливатт до нескольких сотен ватт. Модули малой мощности находят применениедля электропитания часов, калькуляторов и т.
д., а более крупные – для электропитания осветительных устройств, световых дорожных знаков и светосигнальных систем. Чтобы обеспечить непрерывность электропитания, к фотоэлементным модулям подключают аккумуляторы. Модули могут соединяться и вбатареи мощностью до нескольких десятков (иногда и до нескольких сотен) ки65Электропитание РЭАГлава 2ловатт, используемые в качестве местных источников электропитания, обычносоединенных с электрической сетью.
Такие батареи устанавливают обычно накрышах или на южных наружных стенах зданий. Солнечными батареями снабжают и все искусственные спутники Земли и космические станции (рисунок2.27). На фотоэлектрических электростанциях суммарная мощность солнечныхбатарей может достигать 10 МВт и более. В опытном порядке солнечные батареи используют и как источники электроэнергии электромобилей и электрических лодок.Преимущества фотоэлементов как источников тока заключаются в отсутствии подвижных частей, в отсутствии вредного действия на окружающую среду, в простоте обслуживания и в высокой надёжности.
Их срок службы находится обычно в пределах от 30 до 40 лет. Их недостатками считают высокуюудельную стоимость (1500-4000 евро/кВт), низкий коэффициент использованиямаксимальной мощности (даже в регионах с большим числом солнечных днейсолнечная батарея мощностью 1 кВт может генерировать только 10002400 кВт·ч электроэнергии в год) и, следовательно, высокую себестоимостьэлектроэнергии (обычно 10-50 евроцентов на 1 кВт·ч).Рисунок 2.27 – Применение солнечных батарей66Электропитание РЭАГлава 2Так как облучённость от солнечного излучения составляет на уровне земли приблизительно 1 кВт/м2, то площадь фотоэлектрических модулей, при ихКПД от 5% до 15%, должна быть приблизительно 6-20 м2/кВт.
Солнечные батареи требуют, следовательно, для своего размещения относительно больших земельных участков. Автономные солнечные батареи, чтобы обеспечить при ихпрерывистой работе беспрерывное электропитание РЭА, должны снабжатьсяаккумуляторными батареями.Рассмотрим далее основные виды солнечных батарей.Наиболее популярными являются солнечные батареи на основе кремния.
Они представляют собой панели с кремниевыми пластинами, покрытымисверху закалённым стеклом. Панели полностью герметичны и отлично выдерживают сильный ветер, а также дождь, снег и т. д.В поликристаллических батареях используют кремний невысокой степени очистки, который создаётся в процессе охлаждения кремниевого расплава.Это делает процесс производства менее трудоёмким и затратным. Эффективность поликристаллических солнечных батарей – 12-18%. Внешний вид – неоднородная структура, от голубого до светло-синего цвета.Монокристаллические батареи дороже поликристаллических примернона 15-20%, однако их КПД превышает 20%, и сохраняется до 80% первоначальной мощности в течение всего ресурса работы (около 25 лет).
В конструкции используют специально выращенные кристаллы кремния, вывести такие –довольно сложная, долгая и трудоёмкая процедура. Монокристаллические солнечные батареи легко отличить по однородной структуре и насыщенному темно-синему цвету.В аморфных батареях используют не кристаллический кремний, а силанили кремневодород, который наносится тонким слоем на материал подложки. Витоге получают гибкие пластины толщиной меньше 1 мкм, их показатель оптического поглощения в 20 раз выше, чем у поликристаллических и монокристал67Электропитание РЭАГлава 2лических солнечных батарей.
Однако КПД таких батарей составляет всего 56%.Тонкоплёночные батареи бывают двух видов – батареи на основе теллурида-кадмия, а также меди-индия. Такие батареи могут поглощать необходимое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон, обладают КПД 15-17% и не снижают её даже в условиях рассеянного излучения.Концентраторные батареи на основе Ge, GaAs, GaInP – одни из самыхсовершенных и дорогих на современном рынке. Их КПД составляет до 45%, ктому же они способны поглощать солнечный свет во всём доступном диапазонедлин волн. Но есть нюансы.
Во-первых, такие солнечные батареи очень сложнытехнически и отличаются высокой стоимостью. Во-вторых, они должны монтироваться на механической системе, которая будет постоянно ориентировать оптику вслед за движением солнца, что также повышает их стоимость.2.3.4 Топливные источники токаКак известно, основная доля производимой в мире электроэнергии вырабатывается на теплоэлектростанциях. Принцип их работы в простейшем описании такой: сжигается топливо (твёрдое, жидкое или газообразное), нагреваетсявода и превращается в пар, пар и продукты сгорания вращают турбину, турбинакрутит генератор, который вырабатывает электрический ток. И сколько лет существует производство электричества, столько же лет вопросу: как напрямуюпревратить внутреннюю химическую энергию, заключённую в топливе, в электричество? Минуя фазы сжигания, парообразования и т.
д., так как на всех этихступенях теряется часть энергии, из-за чего КПД паровых машин и теплоэлектростанций недостаточно высок. Такое устройство для прямого преобразованияхимической энергии топлива в электричество называется топливным элементом.Обычно топливные источники тока относят не к первичным ХИТ, а выделяют в особый класс. В отличие от ХИТ, в топливных источниках тока элек68Электропитание РЭАГлава 2троды являются нерасходуемыми (и неизменяемыми при работе), а реагентыхранятся вне элемента и подаются в него в процессе работы.Таким образом, топливные элементы осуществляют непосредственноепреобразование энергии химических реакций в электрическую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива),которое подобно реакции горения топлива.
Однако в отличие от горения в этихэлементах окисление топлива и восстановление кислорода происходит на разных электродах. Поэтому энергия выделяется в нагрузке без промежуточногопреобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий КПД преобразователя. В топливных элементах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газообразном состоянии непрерывно поступают к электродам.В простейшем топливном элементе происходит электролитическое соединение водорода с кислородом, которые предварительно ионизируются накатализаторных электродах (рисунок 2.28а). Эта реакция является обратнымпроцессом электролиза воды (рисунок 2.28б).
Топливный элемент и устройствоэлектролиза отличаются друг от друга ещё тем, что электролиз воды можетпроисходить на электродах из любого материала, а в топливном элементе требуются электроды с ионизирующими (каталитическими) свойствами, изготовленные из платины, из пористых специальных сплавов или из других специальных материалов.
Напряжение на зажимах топливного элемента составляетобычно 0,8-1 В, и для получения более высокого напряжения используют батареи, состоящие из нескольких десятков или сотен последовательно соединённых элементов.Первый топливный элемент предложил Гроув в 1839 г. За прошедшиепочти два века в работах по созданию топливных элементов участвовали оченьмногие учёные. Тем не менее, существенных сдвигов в этом направлении удалось добиться только во второй половине ХХ века.
Первые работоспособные69Электропитание РЭАГлава 2образцы появились в 1950-1960 гг., и они постепенно совершенствовались в последующие десятилетия.а)б)Рисунок 2.28 – Принцип работы простейшего водородно-кислородного топливного элемента (a) и устройства электролиза воды (б)Так, в 1959 г. фирма "Allis-Chalmers" (США) установила батарею топливных элементов мощностью 15 кВт на тракторе, а другие американские фирмы"Pratt & Whitney Aircraft" и "General Electric" разработали топливный элемент сполимерной мембраной, который в 1965 г.
использовался на космическом корабле "Gemini 5". В 1968 г. на космическом корабле "Apollo" установили батарею щелочных топливных элементов, которая снабжала корабль не толькоэлектроэнергией, но и питьевой водой. Твердооксидный топливный элементразработала в 1958 г. фирма "Westinghouse Electric" (США). В 1970-е гг. началось применение топливных элементов на малых электростанциях, и в 1983 г.фирма "United Technologies" построила две одинаковые электростанции (вНью-Йорке и Токио) с фосфорнокислыми топливными элементами. В 1994 г.фирма "Mercedes-Benz" выпустила подготовленные для серийного производства первые легковые автомобили, а в 1997 г.
– первые автобусы на топливныхэлементах. В качестве топлива в них используют водород; в легковых автомобилях находит применение и метанол. В 2006 г. в Японии построили первые70Электропитание РЭАГлава 2электровозы, а в Германии – первые малые суда на топливных элементах. Наподводных лодках топливные элементы стали использовать уже в 1980-х гг.Однако до широкого внедрения топливных элементов в экономику ижизнь общества дело дойдёт только в ХХI веке. Причины – экономические. Дотех пор, пока цена произведённой в топливном элементе электроэнергии былаочень высокой, они не могли конкурировать с традиционными способами еёполучения.
Высокая цена получалась из-за того, что топливный элемент –сложное и дорогое устройство. Для того чтобы токообразующая реакция наэлектродах шла с приемлемой скоростью, применяют катализаторы, содержащие драгоценные металлы (Pt, Pd, Au, Ag). По этой же причине большинстворазработанных систем рассчитано на работу при повышенной (или просто высокой) температуре. Агрессивная среда, жёсткие условия эксплуатации приводят к довольно быстрому выходу топливного элемента из строя, поэтому ценаэлектроэнергии получается высокой.Ниже приведены несколько примеров электрохимических систем, разработанных для топливных элементов.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
