Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Сонячні плоскі фотоелементи

Явище фотоефекту відкрив французький фізик Беккерель у 1839 p., одержавши потік електронів при освітленні сонячним світлом пластини оксиду міді. Винахід був широко впроваджений у життя після відкриття напівпровідників. Як світлочутливу зону фотоелементів використовують селен (Se), кристалічний кремній (Si),
аморфний кремній (SiGe) та інші речовини. Фотоефект має місце, коли фотон (світловий промінь) падає на елемент із двох матеріалів із різним типом електричної провідності (дірковою чи електронною). Потрапивши в такий матеріал, фотон вибиває електрон з його осередку, утворивши вільний негативний заряд і „дірку”. У результаті рівновага так званого „р-п” переходу порушується, і в ланцюзі виникає електричний струм. Будову кремнієвого фотоелемента показано на рисунку 4.2.32. Найближчими „родичами” сонячних фотоелементів є транзистори, світлодіоди та інші електронні пристрої.

р-шар

п-шар

п/р-перехід

Колекторна смужка

Контактний шар

Рисунок 4.2.32 — Схема кремнієвого фотоелемента

Чутливість фотоелемента залежить від довжини хвилі падаючого світла і прозорості верхнього шару елемента. В ясну погоду кремнієві

елементи виробляють електричний струм приблизно 0,5 В і 25 мА на

2 2 1 см площі елемента, або 12-13 мВт/см.

Найбільш розповсюдженими є кремнієві фотоелементи. Вони бувають монокристалічними і полікристалічними. Різниця між цими матеріалами полягає у специфіці одержання початкових кремнієвих заготовок при їхньому вирощуванні з розплавів. Монокристалічна заготовка більш однорідна, але й більш дорога. Полікристалічна - менш однорідна, але має меншу вартість, що може бути вирішальним фактором, коли мова йде про виготовлення фотоелементів. Теоретична ефективність кремнієвих елементів становить приблизно 28 %, а практична - від 14 до 16 %.

На противагу розповсюдженій помилковій думці в дійсності фотоелементи виробляють більше енергії при низьких температурах. Це пояснюється тим, що фотоелементи - це електронні пристрої і виробляють енергію під дією світла, а не від тепла, тобто працюють

ефективніше за холодних умов, ніж при високих температурах. А в зимовий час вони виробляють менше енергії лише за рахунок скорочення світлового дня, тому що кут падіння сонячного світла в цей період менший, а хмарність більша.

За допомогою послідовно-паралельних електричних з’єднань сонячні елементи з’єднують у сонячну (фотоелектричну) батарею в герметичному корпусі. Потужність сонячних батарей, що серійно випускаються промисловістю, становить 50-200 Вт. На сонячних фотоелектричних станціях сонячні батареї використовуються для утворення фотоелектричних генераторів. На рисунку 4.2.33 зображено склад і блок-схему сонячної фотоелектричної станції. Термін служби такої станції становить 20-30 років, експлуатаційні витрати є мінімальними.

Рисунок 4.2.33 — Сонячна фотоелектрична станція

Сонячні фотоелектричні станції використовуються для живлення водопідйомних насосів, телекомунікаційних систем, катодного захисту трубопроводів, у домашньому господарстві тощо.

4.2.4.1 Сонячні концентруючі фотоелементи

Зниження вартості фотоелементів шляхом зменшення (при рівній електричній потужності) необхідної поверхні сонячного елемента за рахунок концентрації сонячної енергії є перспективним напрямом розвитку фотоенергетики. Однак з економічної точки зору це матиме сенс, якщо вартість системи концентрації сонячної енергії буде нижчою від вартості зекономленої площі сонячних елементів.

Система концентрації сонячної енергії становитьться безпосередньо з концентраторів і системи спостереження за положенням Сонця, оскільки концентруючі фотоелементи сприймають тільки пряме сонячне випромінювання.

З підвищенням ступеня концентрації сонячного випромінювання пропорційно збільшується густина генерувального в сонячний елемент фотоструму, тому є потреба в спеціальних сонячних елементах із малими втратами енергії при великих струмах. Через зростання теплового навантаження на сонячні елементи необхідне створення ефективної системи охолодження сонячних елементів.

Разом із тим завдяки суттєвому скороченню необхідної площі сонячного елемента з’являється можливість використання для сонячних елементів дефіцитних і дорогих напівпровідникових матеріалів, наприклад арсеніду галію. До того ж, для невеликих площ сонячних елементів легше забезпечити захист від несприятливих факторів довкілля.

Сьогодні базою для створення концентрованих сонячних елементів є кремній. Сонячні елементи на основі кремнію можуть працювати в концентрованому сонячному потоці з виробленням значних струмів при максимальному зниженні втрат енергії на електричних опорах. Так, в Австралії створені сонячні елементи зі ступенем концентрації k = 11 і ККД 21,6%; в СІЛА випускаються кремнієві елементи з k = 40 і ККД 20 %.

Отримали розповсюдження параболоциліндричні концентратори, що входять до складу фотоелектричної установки. Параболоциліндричний концентратор виконаний з великої кількості плоских відбивних дзеркал, які направляють сонячне випромінювання на вторинний розподільник - гомогенізатор сонячного потоку. Одна з перших таких станцій була побудована в Туркменії для електричного живлення водопідйомної системи.

Практика показує, що в разі використання відбивачів значної площі треба вирішити декілька дуже суттєвих питань, а саме: захист поверхні відбивних покрить від дії довкілля; організація ефективного тепловідводу від поверхні сонячних елементів; створення спеціальних вторинних оптичних пристроїв для рівномірного розподілу світлового потоку по поверхні сонячної батареї;

врахування вітрового та механічного навантаження, зумовлених значними габаритами модуля.

Для зниження розмірів установки і спрощення її конструкції як концентруючі елементи доцільно використовувати лінзи Френзеля. Концентрацію в декілька десятків разів можна створити лінійними лінзами Френеля, які фокусують паралельний потік випромінювання в лінію. Ці лінзи виготовлюють із скла, а також із різних прозорих полімерних матеріалів, таких, як поліметилакрилат, полістирол, полікарбонат, сополімер стиролу з акрилом.

Значно вищі концентрації променевого потоку досягаються в концентраторах на основі параболоїдів обертання і точкових лінз Френзеля, які фокусують паралельний потік променів у точку. Для нормальної роботи такого концентратора треба більш складна двовісна система слідкування за Сонцем, спеціальні технології виготовлення, збирання і юстирування установки. У світі створено декілька доволі потужних фотоелектричних станцій із такими концентраторами. Так, у Саудівській Аравії ще в 1981 р. побудовано фотоелектричну станцію потужністю 350 кВт на основі модулів із точковими лінзами Френеля (к = ЗО, ККД - 11 %).

Одним зі шляхів підвищення ефективності фотоелектричного перетворення сонячної енергії є використання як вихідний матеріал арсеніду галію, фотоелектричні втрати якого при високих температурах є значно меншими, ніж кремнієвих елементів.

На основі арсеніду галію створені дво - і трикаскадні сонячні елементи, які показують високу ефективність роботи при ступені концентрації 1000 і більше. Вже створені лабораторні зразки сонячних елементів площею 0,5 см з к = 500 і ККД 40 %.

Прогнози відомих спеціалістів у галузі фотоелектричного перетворення сонячного випромінювання показують, що найбільш перспективними будуть концентратори з к = 1000, що працюють із багатокаскадними арсенідгалієвими сонячними елементами нового покоління.

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox