1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 23
Текст из файла (страница 23)
При использовании $-метода значение Г вычисляется для каждого месяца, а месячное количество теплоты, получаемой системой теплоснабжения за счет Солнца, определяется как сол. 'с ос с. сгл л о л "< осс. 106 где Ат - число секунд в месяце; сс - среднемесячная температура окружающей среды; У - полный коэффициент тепловых потерь коллектора; Я "„, ' — полная месячная тепловая нагрузка — отопления и горячего водоснаб. жения; Н, - среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность коллектора; Х - число дней в месяце; тес - среднемесячная приведенная поглощательная способность прн нормальном и произвольном падении лучей на его плоскость. Значение Ра17 и га(са) = Ратас определяются по результатам стандартных испытаний коллектора.
Физический смысл безразмерных комплексов Х и У: Доля годовой тепловой нагрузки, покрываемой за энергии, равна ~ваемои за счет солнечной Е(~с оюн Р мес (~пож год псл где О. „— полная годовая тепловая нагрузка. 03. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ФЭЩ Принцип действия и характеристики ФЭП Фотоэлектрический (нлн фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один нз основателей советской физической школы академик А.
Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1'А. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики н технологии этот показатель увеличился до 20-25'lо . Механизм преобразования солнечного света в электричество отличается от других способов получения электричества. Особенности этого метода определяют возможности и перспективы его использовавня в широких масштабах. При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения.
В индукционном методе для получения электричества используют свободные заряды металлических проводников, а их разделение осуществляется в результате перемещения проводников в магнитном поле. В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом.
В фотовольтанческом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника со светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. До недавнего времени практически все фотоэлементы изготовлялись из кристаллического кремния, однако сейчас все более широкое применение находят н другие материалы. Явление фотоэффекта основано на преобразовании световой энергии (энергии электромагнитного излучения) ', в электрическую.
Различают три вида фотоэффекта: 1) внешний - вырывание электронов из поверхности тел под действием света; 2) внутренний - изменение г " " злектропроводим ости полупроводников и диэлектриков под действием света; 3) запирающегося слоявоэбуждение элекродвижущей силы на границе между проводником и светечувствительным полупроводником. Для целей преобразования энергии электромагнитного излучения практически может быть применен только фотоэффект запирающегося слоя (фотозффект на р-и переходе).
Рнс. П. Основные пронесем в р п-нереходе. а - а темном; б - прн арамом ененгеанен а - прн обратном онмпаннн; г - нрн осеещеннн Элекронно-дырочиый переход или р-и переход представляет собой некоторую область между двумя частями вещества с разным типом проводимости. В изолированном от внешних воздействий (света и теплоты) образце в этой перехолной зоне возникает взаимная диффузия избыточных носителей тока, приводящая к образованию шюйиого электрического слоя объемных зарядов - контактного электрического поля, напряженность которого направлена от области п-типа к области р-типа. Установившаяся контактная разность потенциалов определяется как 108 И н, И Рр Ь~ с И Удмр У«= — 1п — '= — 1~ —" = — — — 1п ' ', (!) е и, е р, е е И„Х„' где и., пр - концентрация электронов; рп, р, - концентрация дырок в материалах п и р-типа; А~, - ширина запрещенной зоны вещества; рр = 2 (2кт „КТ)'Чээ чр = 2 (2кш КТ)э%э- - эффективная плотность состояний электронов и дырок в зоне проводимости (валентной зоне);М.,Хр - концентрация акцепторов и доноров; Т - температура полупроводника.
Полученная картина представлена на рис. 27,а. Поток основных носителей заряда через р-и переход представляет собой диффузионный ток 1х, поток неосновных носителей - дрейфовый ток 1. При равновесии токи 1, и 1, по абсолютной величине равны и результирующий ток через р-л переход равен нулю. Приложение к р-л переходу положительного потенциала ((7>0, прямое смещение) приводит к изменению взаимного расположения уровней Ферми (рис.27,б), уменьшению потенциального барьера, росту диффузионного тока (дрейфовый ток остается неизменным). Результирующий ток через р-и переход носит название прямого тока.
Если Ю<0 (обратное смещение), то барьер увеличивается (рис.27,в), диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток остается неизменным. Результирующий ток называется обратным током. Уравнение вольт-амперной характеристики (БАХ) р-и перехода в этом случае имеет вид." 1 = 1в(2еаэьт -" 1), (2) где (7 - внешнее напряжение, приложенное к р-и переходу, с учетом знака; 1. - значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.
Когда монохроматическое излучение с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны, падает на полупроводник вблизи ри перехода, в нем образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к возникновению дополнительной разности потенциалов (рис. 27,г), что в свою очередь вызывает эффект прямого смещения и увеличения тока основных носителей. Если внешняя цепь разомкнута, то устанавливается динамическое равновесие первичного светового тока избыточных неосновных носителей 1„, созданных квантами света, и тока, обратного ему по направлению, обусловленного накоплением пространственных зарядов. Результирующая разность потенциалов представляет собой фото-ЭДС, При подключении внешней нагрузки происходит ответвление тока во внешнюю 1» = 1»в-1»»»(е'офат — !), ' (3) где 1, = Ь - ток неосновных носителей, проходящих через неосвещенный р-п гереход, равный току насыщения; 1)е - напряжение на зажимах фотоэлемента при включении нагрузки во внешнюю цепь.
Это уравнение представляет собой ВАХ ФЭП. Значение 'Ц, равно: — "+1 Для разомкнутой цепи 1, = О, откуда ЭДС фотоэлемента Кт й„-1„ Еф= — 1п " " +1 е 1,1„„ Максимальное значение еЕь нс может быть больше ос». Значение генерируемого светом тока короткого замыкания 1.= 1„определяется формулой 1,.=1*. =е . 1 Я, (Лт) Хе(Лт)б(Лт), ьл,=ь» (б) где ЩЛт) - коэффициент собирания неосновных носителей (или абсолютная спектральная чувствительность элемента), который согласно определению показывает, какая часть носителей, генерированных при поглощении фотонов с энергией Лт, дает вклад в 1.; Хэ(Лт) — плотность потока фотонов с энергией Лт, падающих на ФЭП.
Технология производства ФЭП должна обеспечивать коэффициент собирания, близкий к единице, для всех фотонов солнечного спектра, энергия которых больше'ширины запрещенной зоны. На форму ВАХ существенное влияние оказывает сопротивление элемента: прн его увеличении форма ВАХ становится более плоской, коэффициент заполнения и мощность уменьшаются. По ВАХ можно определить значения напряжения Ы, и тока 1„„соответствующие режиму максимальной мощности: 110 цепь. Суммарный ток по-прежнему будет равен световому.
Поскольку направление фото-ЭДС н контактной разности потенциалов противопо- ложно, ток 1» во внешней цепи будет равен: ас аяс 1+ — )ект =ект кт) 1т — 1са 1нас агЕ 1~ = 1са < 1+ — ) аггсн/кт ( 1н ва ~ (81 1„) (сТ+еБ Для максимальной мощности имеет вид: аа1 1+ н ас аа 1, „/ 1сТ+ е(1 1сТ+ е(1 У серийных кремневых элементов при солнечном освещении 1н аа 1, н 35 М„ги 1„, = 10'А/,г„т.е. — "" (10-а. 1ав Максимальный КПД, т.е. КПД при согласованной нагрузке, представляется выражением 1 13 е1„Б„' ' 1,„Е Ч Ы„.„, (1сТ+ е(1„)Х„.„Х„.„, где 1с - коэффициент заполнения, который определяет степень приближения ВАХ к прямоугольной форме. При 1 /1 а>104, Кй0,72, т.е. г1наа~ 0,72(1саЕ/Яаана). При поступлении на ФЭП, имеющий температуру Тг, энергии в уэ' Тз ком спектральном интервале от пороговой частоты нана до ч и + 1 — ~ г, Ь3 из общего излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры Ть его предельный КПД будет равен КПД цикла Карно: и =(т, — тарто (11) С учетом лжоулевых потерь в самом ФЗП максимальный КПД имеет следующий вид: Предельный КПД фотоэлемента, преобра- зующего солнечное излучение, имеет вид увы зь тв й = чо3~е, где ц.
— КПД преобразования солнечного света, равен отношению мощности использованного излучения эквивалентного черного тела к мощности солнечного излучения и может быть определен из зависимости и, = от Х, (рис. 28) П2 Т~ - температура поверхности Солнца. Значение П, вычисляется по фориуле (12) при подстановке эквивалентной температуры абсолютно черного тела Ть Значения предельных КПД ФЭП дла различных материалов при разных температурах окружающей среды приведены на рисунке 29. Материалы фотоэлементов ОПтНМаЛЬНЫМИ МатЕРИаяаМИ ДЛЯ СОЛНЕЧИЫХ э,, гав Льэа ФЭП являются соединения АшВк и в первую: а я очередь арсеиид галлия (ОаАБ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
