Надо Знать

добавить знаний



Солнечный элемент


Solar cell.png

План:


Введение

Solar cell.png

Солнечный элемент (фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь - ФЭП) - это полупроводниковый прибор, который служит для преобразования световой энергии в электрическую. В основе этого преобразования лежит явление фотоэффекта.


1. Принцип работы

Photoelectric-E.PNG

Принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе. При поглощении фотона в области, прилегающей к pn переходу, создается пара носителей заряда : электрон и дыра. Одна из этих частиц являются неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает через переход. В результате созданы благодаря поглощению энергии фотона заряды разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. Как следствие нарушается равновесие плотности зарядов. При подключении элемента к внешней нагрузки в цепи протекает ток.

SolarCell-IVgraph3-E.PNG

Говорят о напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Напряжение холостого хода (V vo) - максимальное напряжение (внешняя нагрузка бесконечное), которое может генерировать элемент. А ток короткого замыкания (I sc), это максимальный ток (когда внешняя нагрузка равна нулю), который может генерировать элемент. В рабочем режиме напряжение и ток есть меньше, и при определенных значениях (V max и I max) элемент имеет максимальную мощность (P max).


2. Потери в солнечном элементе

Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связанные с:

  • отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
  • прохождением части излучения через фотоэлемент без поглощения в нем,
  • рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решетки избыточной энергии фотонов,
  • рекомбинацией фотопар, образовавшиеся на поверхностях и в объеме фотоэлемента,
  • внутренним сопротивлением преобразователя,
  • некоторыми другими физическими процессами.

Солнечные элементы служат для электроснабжения в отдаленных районах Земли или на орбитальных станциях, где невозможно использовать электросеть, а также для питания калькуляторов, радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.

В августе 2009 г. ученые Университета Нового Южного Уэльса достигли рекордной эффективности солнечных батарей - 43% (т.е. 43% солнечной энергии превращается в электрическую). Однако, новый рекорд был установлен в лабораторных условиях. Так, свет перед попаданием на батареи было сфокусировано специальными линзами. Кроме того, стоимость всего оборудования далека от значений, которые позволили бы производить ее в промышленных масштабах. Рекорд для одной солнечной батареи в реальных условиях составляет примерно 25%. [1]


3. Материалы

Фотоэлементы изготавливают из различных полупроводниковых материалов. Процесс изготовления фотоэлемента близок к процессам изготовления других полупроводниковых приборов, например чипов.

Монокристаллические фотоэлементы наиболее сложные и дорогие поскольку для их изготовления требуется кристаллический кремний, однако имеют наибольшую эффективность (14% -20% преобразования света в электрическую энергию).

Поликристаллические или мультикристалични фотоэлементы дешевле чем монокристаллические, однако менее эффективны.

Тонкопленочные фотоэлементы используют тонкие пленки изготавливаемые из расплавленного кремния. Такие фотоэлементы наименее эффективны.

В космических аппаратах используются также многопереходных солнечные элементы или гетерофотоелементы. Такой элемент состоит из нескольких pn переходов (AlGaAs-GaAs), каждый из которых улавливает свет определенного спектра. Такие солнечные элементы достигают наивысшей эффективности - 35%. Большая сложность изготовления таких устройств делает их малораспространенными.

Для повышения эффективности преобразования света также используют концентрувальну оптику.

В настоящее время ведутся исследования по созданию гибких пленочных солнечных элементов, а также полупроводниковых красок, использованию органических полупроводников.


4. Температурный режим

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25 C он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4% / градус. Это представляет проблему для фотоэлементов с концентрувальною оптикой. Поэтому они требуют дополнительного охлаждения.

5. Солнечная батарея

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы-производителя к другой и составляет около 0,6 В (рис.1). Эта величина не зависит от размеров элемента и его освещенности. Чтобы повысить выходное напряжение солнечные элементы соединяют последовательно. Такие соединения называют солнечной батареей. Отрицательным моментом такого соединения является несколько меньшая надежность, поскольку достаточно выхода из строя (или просто попадание в тень) одного элемента чтобы ток уменьшился в целом батареи. Солнечные элементы не "боятся" короткого замыкания.

Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются следующие:

  • освещенность 1000 Вт / м ,
  • температура 25 C,
  • спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45 ).

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1 кВт * ч электроэнергии, произведенной с их помощью стоила $ 60, в 1980 г. - $ 1, сейчас - $ 0,20 - $ 0,30). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 30% в год, ежегодный объем их продаж превышает (по мощности) 50 МВт.

В Украине ведущим производителем солнечных батарей является ОАО "Квазар".


Примечания

  1. Установлен рекорд эффективности солнечных батарей - sd.net.ua/2009/08/28/ustanovlen_rekord_jeffektivnosti_solnechnykh_batarejj.html


Преобразование энергии: р
Преобразование энергии: Экономия энергии | Возобновляемая энергетика | Зеленая энергия | Распределенная энергетика | Распределенный тепло | Генерация электроэнергии | Освещенность
Солнечная энергетика : Тепловой насос | Солнечная батарея | Солнечная панель | Централизованная гелиоэнергетика | Солнечный дом
Геотермальная энергетика : Геотермальная помпа
Ветроэнергетика : Ветрогенератор
Гидроэнергетика : Энергия волн | Энергия приливов
Биологическое: Биомасса | биоэтанол | E85 | Биогаз | Биодизель | Биотопливо
Химическая энергия: Топливный элемент | Водородная устава
Топлива: Нефтедобыча | Торф
Разное: Сохранение тепловой энергии | Теплоконденсатор
Энергия: Wh = ватт-час, GWh = 3,6 TJ, toe = 11,63 MWh Мощность: MW = 1000 kW, GW = 1000 MW, TW = 1000 GW



См.. также


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам