Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Недостатком фотоэлектрического преобразователя является высокая стоимость и низкий КПД. Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в ближней инфракрасной области спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством р-n соединения. Переход на гетеро соединение типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД до 35 %. Однако стоимость элементов на базе соединения арсенида галлия и алюминия значительно выше, чем на базе кремния [27].

В настоящее время КПД преобразования солнечной энергии фотоэлементов на основе монокристаллического кремния доходит до 12-15 %. Тем не менее, затраты на создание гелиоустановок, даже если учитывать при этом только затраты на производство фотоэлементов, по своей удельной стоимости все еще превосходят затраты на создание атомных, тепло-гидроэлектростанций. Это объясняется низкой плотностью солнечного излучения. Необходимо собирать солнечное излучение с больших площадей, покрывая их дорогими полупроводниковыми фотоэлементами. Стоимость получаемой электроэнергии значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными способами. С течением времени происходит снижение стоимости солнечных элементов главным образом за счет снижения стоимости полупроводниковых материалов. На данный момент себестоимость солнечных элементов составляет примерно 2-3 дол/Вт. Стоимость фотоэлектрических гелиоустановок в сборке доходит до 3-4 дол/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 дол/Вт [27].

Как один из способов снижения стоимости солнечной электроэнергии может рассматриваться применение концентраторов излучения [28, 29]. В этом случае требуемая площадь солнечных элементов, следовательно, и их стоимость могут быть снижены пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения зеркалами или линзами. Однако в этом случае возникает ряд проблем. Прежде всего, при повышении мощности излучения увеличивается плотность генерируемого фототока, что требует усложнения конструкции солнечных элементов для уменьшения омических потерь. Во-вторых, увеличивается тепловая нагрузка на солнечные элементы, что может потребовать создание эффективной системы теплоотвода. В-третьих, требуется разработка высокоэффективных и дешевых концентраторов излучения. И, в-четвертых, требуется сравнительно более точное наведение на Солнце. Таким образом, целесообразность применения концентраторов необходимо определять как разность экономии средств за счет уменьшения площади фотопреобразователя и затрат, направленных на решение вышеуказанных проблем [30- 32].

Солнечные электростанции с применением тепловых двигателей в настоящее время в основном строят либо как СЭС башенного типа, либо как СЭС турбогенераторного типа. В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающий высокую степень концентрации солнечного излучения [33-35]. Управление системой, как правило, осуществляется с помощью компьютера. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до воздух и другие газы до низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) − до жидкометаллические теплоносители – до [36, 37].

Рисунок 1.2 – Оптические концентраторы солнечной энергии

В СЭС модульного типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором (рисунок 1.2).

1.2 Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, используемые в солнечных энергоустановках

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи – это приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте – явлении возникновении фото-ЭДС в электрическом р-n переходе при облучении его световым потоком. Широкое применение находят солнечные фотоэлементы из кремния и арсенида галлия. Основными параметрами являются выходная мощность Р и коэффициент полезного действия:

,

где – максимальная мощность, которую можно получить от фотоэлемента, Вт; – мощность потока излучения, падающего на фотоэлемент, Вт.

У лучших монокристаллических кремниевых солнечных фотоэлементов КПД достигает 10-15 %. Такой относительно низкий КПД связан с несовершенством солнечного фотоэлемента как преобразовательного устройства, в котором одновременно с полезным преобразованием происходят процессы, сопровождающиеся бесполезным ее рассеиванием.

Все виды потерь в солнечном фотоэлементе можно разделить на три группы:

• потери энергии, связанные с процессами, когда преобразуемая энергия имеет вид лучистой энергии – потери излучения;

• потери энергии, генерированной излучением электронов и дырок, происходящих во время их движения внутри полупроводника;

• электрические потери.

Потери первой группы происходят вследствие отражения падающего излучения от поверхности фотоэлемента, прохождения излучения на глубину больше диффузионной длины неравновесных носителей заряда (поглощения излучения в нерабочей области), нефотоэлектрическое поглощение излучения в проводнике, поглощение без образования пары неравновесных носителей заряда [38, 39].

Для солнечного элемента из кремния к нефотоэлектрическому поглощению относится вся длинноволновая часть солнечного спектра с длинной волны более 1,09 мкм. Эта часть излучения в спектре Солнца составляет 12-20 % по мощности [40]. Для уменьшения потерь, связанных с нефотоэлектрическим поглощением излучения Солнца, разрабатываются гетеропереходы между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Расширение области спектральных характеристик солнечных фотоэлементов может быть достигнуто при использовании систем с плавно изменяющейся шириной запрещенной зоны [41].

Потери второй группы происходят за счет:

• рекомбинации генерированных излучением пар носителей заряда, сопровождающейся передачей энергии решетки;

• рассеивания энергии неравновесными носителями заряда при взаимодействии их с решеткой;

• наличие внутреннего, последовательного сопротивления фотоэлемента, уменьшающего напряжение на нагрузки;

• утечки фототока, обусловленной сопротивлением резистора, шунтирующего переход.

Для снижения потерь на рекомбинацию необходимо, чтобы толщина слоя, где образуются пары неравновесных носителей заряда, не превышала диффузионной длины неосновных носителей заряда. Однако в тонком наружном слое полупроводника излучение поглощается незначительно. Для удовлетворения обоих требований солнечные элементы необходимо изготовлять из материалов с большой диффузионной длиной неосновных носителей заряда, зависящего от чистоты полупроводника и регулярности его структуры. Кроме того, следует свести до минимума скорость поверхностной рекомбинации.

На рисунке 1.3 представлена упрощенная эквивалентная электрическая схема фотопреобразователя.

Рисунок 1.3 – Упрощенная эквивалентная схема фотопреобразователя

Недостатком солнечных фотоэлементов на базе монокристаллов является невозможность получения больших рабочих поверхностей, низкое отношение выходной мощности к массе, а также высокая стоимость. По этим показателям они уступают пленочным фотоэлементам [42].

Пленочные фотоэлементы из сульфида кадмия и теллурида кадмия характеризуются значительно более высоким отношением выходной мощности к массе (разница более чем в четыре раза), дешевле монокристаллических кремниевых фотоэлементов, обладают достаточно высокой радиационной стойкостью и большим сроком службы. Но при этом их КПД уступает монокристаллическим фотопреобразователям.

Солнечные фотоэлементы, смонтированные и электрически соединенные по определенным схемам, образуют солнечную фотобатарею. Фотобатареи имеют более низкий по сравнению с отдельными фотоэлементами КПД за счет коммутационных потерь и неидентичности вольтамперных характеристик фотоэлементов, что приводит при соединении их в батарею к нарушению оптимального режима работы каждого фотоэлемента.

2 СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ЗА ПОЛОЖЕНИЕМ СОЛНЦА

Для наибольшей эффективности работы ФМ, т.е. преобразования солнечной энергии в электрическую, необходимо, чтобы солнечные лучи были направлены перпендикулярно поверхности модуля, т.е. необходимо следить за положением солнца на небосклоне. В таком случае освещенность поверхности ФМ будет максимальной [44 - 46]. Для этого необходимо, чтобы система контроля максимума освещенности в течение дня периодически изменяла положение ФМ для сохранения прямого угла между направлением лучей и его плоскостью.

Система, обеспечивающая поворот ФМ в течение дня на максимальный поток солнечного излучения, называется системой контроля максимума освещенности ФМ.

Перемещение Солнца по небу в течение года и дня является входной характеристикой для системы контроля. Система контроля отвечает за ориентирование ФМ на Солнце в течение дня и года, поэтому рассмотрим геометрические отношения между Солнцем и Землей.

В течение года Земля описывает эллиптический путь вокруг Солнца (рисунок 2.1). Это движение является причиной изменения сезонов года и длительности светового дня. Изменение высоты Солнца на небосклоне в течение года определяется прецессией земной оси (рисунок 2.2), отвечающей за склонение оси Земли относительно плоскости эклиптики в течение года. В течение дня Земля также вращается вокруг своей оси, описывая полный круг, это движение является причиной восходов и закатов [47].

Рисунок 2.1 – Вращение Земли вокруг Солнца в течение года

Рисунок 2.2 – Схематическое изображение прецессии земной оси

За одни сутки земля поворачивается вокруг своей оси на 360°, однако ФМ будет генерировать энергию только в течение светового дня. Длительность дня меняется в зависимости от широты и места установки ФМ. Необходимо проследить за двумя условиями изменения высоты Солнца: в течение дня и условия изменения высоты Солнца по временам года [48-50].

Положение Солнца на небосводе может быть описано двумя углами: азимут и зенит. Азимут – угол между истинным направлением севера и проекцией Солнца на горизонтальную плоскость Земли. Зенитный угол характеризует высоту солнцестояния. Азимут изменяет значение в течение дня из-за вращения Земли вокруг своей оси (его также называют часовой угол), а зенитный угол изменяется из-за прецессии земной оси. Следовательно, при проектировании системы контроля необходимо принимать во внимание два вращательных движения Солнца: ежедневное движение (перемещение по оси азимута) и ежегодной прецессии земной оси (перемещение по оси эклиптики) [51-52].

Существует два способа контроля положения Солнца: по одной оси и по двум. Количество осей определяет механизм системы контроля: одноосная и двухосная (рисунок 2.3).

а) б) в)

Рисунок 2.3 – Системы контроля: а – одноосная азимутальная,

Характеристики

Список файлов ВКР