Фотоэлектрлік түрлендіргіштер (күн батареялары). Күн энергиясын түрлендіру энергетиканы дамытудың перспективалы жолы болып табылады Электровакуумды және жартылай өткізгіш фотоэлектрлік күн энергиясын түрлендіргіштер

Көпшілігіміз бір жолмен күн батареяларын кездестірдік. Біреу тұрмыстық мақсатта электр энергиясын өндіру үшін күн батареяларын пайдаланды немесе пайдаланып жатыр, біреу далада сүйікті гаджетін зарядтау үшін кішкентай күн батареясын пайдаланады, ал біреу микрокалькулятордан кішкентай күн батареясын көргені сөзсіз. Кейбіреулеріне бару бақыты бұйырды.

Бірақ сіз күн энергиясын электр энергиясына айналдыру процесі қалай жүретіні туралы ойландыңыз ба? Барлық осы күн элементтерінің жұмысының негізінде қандай физикалық құбылыс жатыр? Физикаға жүгініп, ұрпақ процесін егжей-тегжейлі түсінейік.

Бұл жердегі энергия көзі күн сәулесі, немесе ғылыми тілмен айтқанда, күн радиациясының фотондарының арқасында алынатыны әу бастан-ақ анық. Бұл фотондарды Күннен үздіксіз қозғалатын элементар бөлшектердің ағыны ретінде елестетуге болады, олардың әрқайсысының энергиясы бар, сондықтан бүкіл жарық ағыны қандай да бір энергияны алып жүреді.

Күн бетінің әрбір шаршы метрінен радиация түрінде үздіксіз 63 МВт энергия бөлінеді! Бұл сәулеленудің максималды қарқындылығы көрінетін спектрдің диапазонына түседі - .

Сонымен, ғалымдар Күннен Жерге дейінгі 149 600 000 шақырым қашықтықтағы күн сәулесі ағынының энергия тығыздығы атмосферадан өткеннен кейін және планетамыздың бетіне жеткеннен кейін бір шаршы метрге шамамен 900 Вт болатынын анықтады.

Мұнда сіз бұл энергияны қабылдап, одан электр энергиясын алуға, яғни Күннің жарық ағынының энергиясын қозғалатын зарядталған бөлшектердің энергиясына, басқаша айтқанда, түрлендіруге болады.

Жарықты электр энергиясына айналдыру үшін бізге қажет фотоэлектрлік түрлендіргіш. Мұндай түрлендіргіштер өте кең таралған, олар тегін сатуға арналған, бұл күн батареялары деп аталатындар - кремнийден кесілген пластиналар түріндегі фотоэлектрлік түрлендіргіштер.

Ең жақсысы монокристалды болып табылады, олардың тиімділігі шамамен 18% құрайды, яғни күннен түсетін фотон ағынының энергия тығыздығы 900 Вт/кв.м болса, онда бір шаршы метрге 160 Вт электр энергиясын алуға сенуге болады. осындай ұяшықтардан жиналған батарея.

Мұнда «фотоэффект» деп аталатын құбылыс жұмыс істейді. Фотоэффект немесе фотоэффект- бұл жарықтың немесе кез келген басқа электромагниттік сәулеленудің әсерінен заттың электрондарды шығару құбылысы (зат атомдарынан электрондардың шығу құбылысы).

1900 жылы Макс Планк, кванттық физиканың атасы, жарық жеке бөліктерде немесе кванттарда шығарылады және жұтылады деп ұсынды, кейінірек, атап айтқанда, 1926 жылы химик Гилберт Льюис «фотондар» деп атады.

Әрбір фотонның энергиясы бар, оны E = hv формуласы бойынша анықтауға болады - Планк тұрақтысының сәулелену жиілігіне көбейтіндісі.

Макс Планк идеясына сәйкес, 1887 жылы Герц ашқан, содан кейін 1888 жылдан 1890 жылға дейін Столетов жан-жақты зерттеген құбылыс түсінікті болды. Александр Столетов фотоэффектіні эксперименталды түрде зерттеп, фотоэффекттің үш заңын (Столетов заңдары) құрды:

Фотокатодқа түсетін электромагниттік сәулеленудің тұрақты спектрлік құрамы кезінде қанығу фототогы катодтың энергетикалық жарықтандыруына пропорционал (басқаша айтқанда: катодтан 1 с ішінде түсірілген фотоэлектрондар саны сәулелену қарқындылығына тура пропорционал) .

Фотоэлектрондардың максималды бастапқы жылдамдығы түскен жарықтың интенсивтілігіне тәуелді емес, тек оның жиілігімен анықталады.

Әрбір зат үшін фотоэффекттің қызыл шегі бар, яғни жарықтың минималды жиілігі (заттың химиялық табиғаты мен бетінің күйіне байланысты), одан төмен фотоэффект мүмкін емес.

Кейінірек, 1905 жылы Эйнштейн фотоэффект теориясын нақтылады. Ол жарықтың кванттық теориясы мен энергияның сақталу және түрлену заңы не болып жатқанын және не байқалатынын қалай тамаша түсіндіретінін көрсетеді. Эйнштейн 1921 жылы Нобель сыйлығын алған фотоэффект теңдеуін жазды:

Мұндағы жұмыс функциясы А – электронның зат атомынан шығу үшін атқаратын ең аз жұмысы. Екінші мүше – электронның шыққаннан кейінгі кинетикалық энергиясы.

Яғни, фотонды атомның электроны жұтады, соның арқасында атомдағы электронның кинетикалық энергиясы жұтылған фотон энергиясының шамасына артады.

Бұл энергияның бір бөлігі атомнан шығатын электронға жұмсалады, электрон атомнан шығып, еркін қозғала алады. Ал бағытталған қозғалатын электрондар тек электр тогы немесе фототок болып табылады. Нәтижесінде фотоэффекттің нәтижесінде затта ЭҚК пайда болуы туралы айтуға болады.

Бұл, Күн батареясы онда жұмыс істейтін фотоэффекттің арқасында жұмыс істейді.Бірақ фотоэлектрлік түрлендіргіште «соққыланған» электрондар қайда кетеді? Фотоэлектрлік түрлендіргіш немесе күн батареясы немесе фотоэлемент, сондықтан ондағы фотоэффект әдеттен тыс түрде жүреді, бұл ішкі фотоэффект, тіпті «клапандық фотоэффект» деген арнайы атқа ие.

Күн сәулесінің әсерінен жартылай өткізгіштің p-n түйісуінде фотоэффект пайда болады және ЭҚК пайда болады, бірақ электрондар фотоэлементтен шықпайды, бәрі блоктаушы қабатта болады, электрондар дененің бір бөлігін тастап, екінші бөлігіне ауысқанда. оның.

Жер қыртысындағы кремний оның массасының 30% құрайды, сондықтан ол барлық жерде қолданылады. Жалпы жартылай өткізгіштердің ерекшелігі олар өткізгіш те емес, диэлектрик те емес, олардың өткізгіштігі қоспалардың концентрациясына, температураға және сәулелену әсеріне байланысты.

Жартылай өткізгіштегі жолақ саңылауы бірнеше электронды вольтты құрайды және дәл осы электрондар шығатын атомдардың валенттік аймағының жоғарғы деңгейі мен өткізгіштік зонаның төменгі деңгейі арасындағы энергия айырмашылығы. Кремнийде жолақ ені 1,12 эВ - бұл күн радиациясын сіңіру үшін қажет.

Сонымен, p-n өтуі. Фотоэлементтегі кремнийдің легирленген қабаттары p-n өткелін құрайды. Мұнда электрондар үшін энергетикалық тосқауыл жасалады, олар валенттік аймақтан шығып, тек бір бағытта қозғалады, тесіктер қарама-қарсы бағытта қозғалады. Күн батареясында ток осылай пайда болады, яғни күн сәулесінен электр энергиясы пайда болады.

Фотондардың әсерінен Pn түйісуі заряд тасымалдаушылардың – электрондар мен саңылаулардың – бір бағытта емес, басқа бағытта қозғалуына мүмкіндік бермейді, олар бөлініп, тосқауылдың қарама-қарсы жағында аяқталады. Жоғарғы және төменгі электродтар арқылы жүктеме тізбегіне қосылған кезде, фотоэлектрлік түрлендіргіш күн сәулесінің әсерінен сыртқы тізбекте пайда болады.

Күн энергиясын электр энергиясына түрлендіруге арналған энергияны үнемдейтін құрылғылар (өйткені бұл энергияның тікелей, бір сатылы ауысуы) жартылай өткізгіш фотоэлектрлік түрлендіргіштер (ПВХ). 300-350 Кельвин деңгейіндегі күн батареяларына және ~ 6000 К күн температурасына тән тепе-теңдік температурасында олардың максималды теориялық тиімділігі >90% құрайды. Бұл энергияның қайтымсыз ысыраптарын азайтуға бағытталған түрлендіргіштің құрылымы мен параметрлерін оңтайландыру нәтижесінде практикалық тиімділікті 50% немесе одан да көп арттыруға әбден болатынын білдіреді (зертханаларда 40% тиімділік қазірдің өзінде бар). қол жеткізілді).

Күн энергиясын фотоэлектрлік түрлендіру саласындағы теориялық зерттеулер мен тәжірибелік әзірлемелер күн батареяларымен осындай жоғары тиімділік мәндеріне қол жеткізу мүмкіндігін растады және осы мақсатқа жетудің негізгі жолдарын анықтады.

PV элементтеріндегі энергияның түрленуі күн радиациясының әсерінен біртекті емес жартылай өткізгіш құрылымдарда пайда болатын фотоэлектрлік әсерге негізделген.ФВ ұяшық құрылымының гетерогенділігін бір жартылай өткізгішті әртүрлі қоспалармен қоспалау (p-n өткелдерін жасау) немесе қосу арқылы алуға болады. диапазон ені тең емес әртүрлі жартылай өткізгіштер – атомнан электронды абстракциялау энергиясы (гетерекоммуникациялар құру) немесе жартылай өткізгіштің химиялық құрамының өзгеруіне байланысты, жолақ ені градиентінің пайда болуына әкелетін (разрядты бос құрылымдар). Жоғарыда аталған әдістердің әртүрлі комбинациясы да мүмкін. Түрлендіру тиімділігі біртекті емес жартылай өткізгіш құрылымының электрлік сипаттамаларына, сондай-ақ күн батареясының оптикалық қасиеттеріне байланысты, олардың арасында күн сәулесімен сәулелену кезінде жартылай өткізгіштердегі ішкі фотоэлектрлік әсерден туындаған фотоөткізгіштік маңызды рөл атқарады. PV элементтерінің жұмыс принципін қазіргі күн және ғарыш энергетикасында кеңінен қолданылатын p-n өткелдері бар түрлендіргіштер мысалында түсіндіруге болады. Электрондық саңылау түйісу өткізгіштігінің белгілі бір түрі бар (яғни, p- немесе n-типті) бір кристалды жартылай өткізгіш материалдан жасалған пластинаны қоспамен қоспалау арқылы жасалады, ол қарама-қарсы өткізгіштікпен беткі қабаттың жасалуын қамтамасыз етеді. түрі. Мұндағы негізгі бос заряд тасымалдаушыларды бейтараптандыру және қарама-қарсы таңбаның өткізгіштігін жасау үшін бұл қабаттағы қоспа концентрациясы негізгі (түпнұсқа монокристалдық) материалдағы қоспа концентрациясынан айтарлықтай жоғары болуы керек. n-және p-қабаттарының шекарасында заряд ағынының нәтижесінде n-қабатында өтелмеген көлемдік оң заряд және p-қабатында көлемдік теріс заряды бар сарқылған аймақтар түзіледі. Бұл аймақтар бірігіп p-n өткелін құрайды. Өтпелі кезде пайда болатын потенциалдық тосқауыл (контактілі потенциалдар айырымы) негізгі заряд тасымалдаушылардың өтуіне кедергі жасайды, яғни. p-қабат жағынан электрондар, бірақ азшылық тасымалдаушылардың қарама-қарсы бағытта өтуіне еркін мүмкіндік береді. p-n өткелдерінің бұл қасиеті күн батареясын күн сәулесімен сәулелендіру кезінде фотоэффект алу мүмкіндігін анықтайды. Фотоэлементтің екі қабатында жарық әсерінен пайда болған тепе-теңдіксіз заряд тасымалдаушылар (электронды-саңылау жұптары) p-n өткелінде бөлінеді: азшылық тасымалдаушылар (яғни электрондар) түйісу арқылы еркін өтеді, ал негізгі тасымалдаушылар (саңылаулар) сақталады. Осылайша, күн радиациясының әсерінен тепе-теңдіксіз аз заряд тасымалдаушылардың тогы - фотоэлектрондар мен фототесіктердің - p-n өтуі арқылы екі бағытта да өтеді, бұл күн батареясының жұмыс істеуі үшін қажет. Егер біз қазір сыртқы контурды жапсақ, онда n-қабаттағы электрондар жүктемеде жұмыс істеп, p-қабатқа оралады және сол жерде күн батареясының ішінде қарама-қарсы бағытта қозғалатын тесіктермен қайта біріктіріледі (бірікті). Электрондарды сыртқы контурға жинау және шығару үшін күн батареясының жартылай өткізгіш құрылымының бетінде байланыс жүйесі бар. Конвертердің алдыңғы, жарықтандырылған бетінде контактілер тор немесе тарақ түрінде жасалады, ал артқы жағында олар қатты болуы мүмкін. Күн батареяларындағы негізгі қайтымсыз энергия шығындары мыналармен байланысты:

• Ш конвертер бетінен күн радиациясының шағылысуы,
• Ш сәулеленудің бір бөлігін фотоэлектрлік элемент арқылы сіңірусіз өткізу арқылы,
• Ш тордың термиялық тербелісіне артық фотон энергиясының шашырауы,
• Ш фотоэлектрлік элементтің беттерінде және көлемінде түзілген фотожұптардың рекомбинациясы,
• Ш түрлендіргіштің ішкі кедергісі,
• Ш және басқа да физикалық процестер.

Күн электр станцияларында энергия ысыраптарының барлық түрлерін азайту үшін әртүрлі шаралар әзірленіп, сәтті қолданылуда. Оларға мыналар жатады:

b күн радиациясы үшін оңтайлы жолақ аралықтары бар жартылай өткізгіштерді пайдалану;

b жартылай өткізгіш құрылымның қасиеттерін оның оңтайлы қоспалау және кіріктірілген электр өрістерін құру арқылы мақсатты жақсарту;

b біртектіден гетерогенді және разрядты жартылай өткізгіш құрылымдарға көшу;

b PV конструкциясының параметрлерін оңтайландыру (pn-өткізу тереңдігі, негіз қабатының қалыңдығы, байланыс торының жиілігі және т.б.);

b күн батареяларын ғарыштық сәулеленуден шағылыстыруға қарсы, термиялық реттеу және қорғауды қамтамасыз ететін көп функциялы оптикалық жабындарды пайдалану;

b негізгі сіңіру жолағының шетінен тыс күн спектрінің ұзын толқынды аймағында мөлдір болып табылатын күн элементтерінің дамуы;

b жолақ ені бойынша арнайы таңдалған жартылай өткізгіштерден каскадты күн батареяларын жасау, әрбір каскадта алдыңғы каскадтан өткен радиацияны түрлендіруге мүмкіндік береді және т.б.;

Сондай-ақ, екі жақты сезімталдығы бар түрлендіргіштерді құру (бір жақтың қолданыстағы тиімділігінің +80% дейін), люминесцентті қайта сәуле шығаратын құрылымдарды пайдалану және алдын ала өңдеу арқылы күн батареяларының тиімділігін айтарлықтай арттыруға қол жеткізілді. көпқабатты пленкалық сәуле бөлгіштерді (дихрионды айналар) пайдалана отырып, күн спектрін екі немесе одан да көп спектрлік аймақтарға ыдырауы. ) кейіннен спектрдің әрбір бөлігін жеке фотоэлектрлік элементпен түрлендіру және т.б.5

Күн электр станцияларының (күн электр станцияларының) энергиясын түрлендіру жүйелерінде негізінен жасалған және қазіргі уақытта әзірленіп жатқан әртүрлі жартылай өткізгіш материалдарға негізделген әртүрлі құрылымдардағы күн батареяларының кез келген түрін қолдануға болады, бірақ олардың барлығы бірдей талаптарды қанағаттандырмайды. Бұл жүйелерге қойылатын талаптар жиынтығы:

• · ұзақ (ондаған жылдар!) қызмет ету мерзімімен жоғары сенімділік;
• · конверсиялық жүйенің элементтерін дайындау үшін жеткілікті мөлшерде бастапқы материалдардың болуы және олардың жаппай өндірісін ұйымдастыру мүмкіндігі;
• · өтелу мерзімі тұрғысынан қолайлы конверсиялық жүйені құруға арналған энергия шығындары;
• · энергияны түрлендіру және беру жүйесін (ғарыш кеңістігін), оның ішінде тұтастай станцияны бағдарлауды және тұрақтандыруды басқаруға байланысты минималды энергетикалық және массалық шығындар;
• · техникалық қызмет көрсетудің қарапайымдылығы.

Мысалы, кейбір перспективалы материалдарды шикізаттың табиғи қорының шектеулілігіне және оларды өңдеудің күрделілігіне байланысты күн электр станцияларын құруға қажетті көлемде алу қиын. Күн батареяларының энергетикалық және эксплуатациялық сипаттамаларын жақсартудың белгілі әдістері, мысалы, күрделі құрылымдарды құру арқылы, оларды аз шығынмен жаппай өндіруді ұйымдастыру мүмкіндіктерімен нашар үйлеседі және т.б. Жоғары өнімділікке тек толық автоматтандырылған PV өндірісін ұйымдастыру арқылы қол жеткізуге болады, мысалы, таспа технологиясына негізделген және тиісті профильдегі мамандандырылған кәсіпорындардың дамыған желісін құру, т.б. шын мәнінде, қазіргі радиоэлектрондық өнеркәсіппен масштабы бойынша салыстыруға болатын тұтас бір сала. Күн батареяларын өндіру және күн батареяларын автоматтандырылған желілерде жинау батарея модулінің құнын 2-2,5 есеге төмендетеді.Қазіргі уақытта кремний мен галлий арсениді (GaAs) фотоэлектрлік күн энергиясын түрлендіру жүйелері үшін ең ықтимал материалдар ретінде қарастырылуда. Күн электр станцияларының (GaAs) және соңғысында бұл жағдайда біз AlGaAs-GaAs құрылымы бар гетерофототүрлендіргіштер (ГФК) туралы айтып отырмыз.

Мышьяктың галлий (GaAs) қосылысына негізделген ОЭК (фотоэлектрлік түрлендіргіштер), белгілі болғандай, кремний FEC-ге қарағанда жоғары теориялық тиімділікке ие, өйткені олардың жолақ ені жартылай өткізгіш күн энергиясын түрлендіргіштер үшін оңтайлы жолақ енімен іс жүзінде сәйкес келеді =1 ,4 eV. Кремний үшін бұл көрсеткіш = 1,1 эВ.

GaAs-тегі тікелей оптикалық ауысулармен анықталатын күн радиациясын сіңіру деңгейі жоғары болғандықтан, олардың негізіндегі жоғары тиімділіктегі PV жасушаларын кремниймен салыстырғанда айтарлықтай аз PV жасушаларының қалыңдығымен алуға болады. Негізінде, кем дегенде 20% тәртіптегі тиімділікті алу үшін GFP қалыңдығы 5-6 микрон болуы жеткілікті, ал кремний элементтерінің қалыңдығы олардың тиімділігінің айтарлықтай төмендеуінсіз 50-100 микроннан кем болмауы керек. . Бұл жағдай жеңіл салмақты қабықшалы HFP құруға сенуге мүмкіндік береді, олардың өндірісі салыстырмалы түрде аз бастапқы материалды қажет етеді, әсіресе субстрат ретінде GaAs емес, басқа материалды, мысалы, синтетикалық сапфирді (Al 2) пайдалану мүмкін болса. O 3).

Сондай-ақ, GFC кремнийлі PV ұяшықтарымен салыстырғанда SES түрлендіргіштеріне қойылатын талаптар бойынша қолайлы операциялық сипаттамаларға ие. Осылайша, атап айтқанда, үлкен жолақ саңылауының арқасында p-n өткелдерінде кері қанығу токтарының шағын бастапқы мәндеріне қол жеткізу мүмкіндігі ЖРП тиімділігі мен оңтайлы қуатының теріс температуралық градиенттерінің шамасын азайтуға мүмкіндік береді және сонымен қатар , жарық ағынының тығыздығына соңғысының сызықтық тәуелділік аймағын айтарлықтай кеңейту. ЖЖҚ тиімділігінің температураға эксперименттік тәуелділіктері соңғысының тепе-теңдік температурасын 150-180 °С-қа дейін арттыру олардың ПӘК-нің және оңтайлы меншікті қуатының айтарлықтай төмендеуіне әкелмейтінін көрсетеді. Сонымен қатар, кремний күн батареялары үшін 60-70 ° C жоғары температураның жоғарылауы дерлік маңызды - тиімділік екі есе төмендейді.

Жоғары температураға төзімділігіне байланысты галлий арсенидті күн батареяларын күн радиациясын концентратор ретінде пайдалануға болады. GaAs негізіндегі HFP жұмыс температурасы 180 °C жетеді, бұл жылу машиналары мен бу турбиналары үшін жеткілікті жұмыс температурасы. Осылайша, галлий арсенидінің 30% меншікті тиімділігіне (150°С) фотоэлементтерді салқындату сұйықтығының қалдық жылуын пайдалана отырып, жылу қозғалтқышының ПӘК-ін қосуға болады. Сондықтан бөлмені жылытуға арналған турбинадан кейін салқындатқыштан төмен температуралы жылуды алудың үшінші циклін де қолданатын қондырғының жалпы тиімділігі тіпті 50-60% жоғары болуы мүмкін.

Сондай-ақ, GaAs негізіндегі HFCs кремний FEC-ге қарағанда жоғары энергиялы протондар мен электрондар ағындары арқылы жойылуға әлдеқайда аз сезімтал, өйткені GaAs-тегі жарықты сіңірудің жоғары деңгейі, сондай-ақ азшылықты тасымалдаушылардың талап етілетін өмір сүру ұзақтығы мен диффузиялық ұзақтығы аз. Сонымен қатар, эксперименттер GaAs негізіндегі HFP құрылғыларындағы радиациялық ақаулардың айтарлықтай бөлігі оларды шамамен 150-180 ° C температурада термиялық өңдеуден (жаюдан) кейін жойылатынын көрсетті. Егер GaAs HFC үнемі 150 ° C температурада жұмыс істейтін болса, онда олардың тиімділігінің радиациялық деградация дәрежесі станциялардың белсенді жұмысының бүкіл кезеңінде салыстырмалы түрде аз болады (бұл әсіресе ғарыштық күн электр станцияларына қатысты, олар үшін ФЭК-тің төмен салмағы мен өлшемі және жоғары тиімділік маңызды) .

Жалпы алғанда, GaAs негізіндегі ГФҚ-ның энергетикалық, массалық және эксплуатациялық сипаттамалары кремний ФЭК сипаттамаларына қарағанда SES және SCES (кеңістік) талаптарына көбірек сәйкес келеді деп қорытынды жасауға болады. Дегенмен, кремний галлий арсенидіне қарағанда әлдеқайда қолжетімді және кеңінен қолданылатын материал. Кремний табиғатта кең таралған және оның негізінде күн батареяларын жасау үшін шикізатты жеткізу шексіз дерлік. Кремний күн батареяларын өндіру технологиясы жақсы қалыптасқан және үнемі жетілдіріліп отырады. Жаңа автоматтандырылған өндіріс әдістерін енгізу арқылы кремнийлі күн батареяларының құнын бір-екі ретке төмендетудің нақты перспективасы бар, бұл, атап айтқанда, кремний таспаларын, үлкен аумақты күн батареяларын және т.б. шығаруға мүмкіндік береді.

Кремний фотоэлектрлік батареялардың бағасы 25 жыл ішінде 20-30 есеге, жетпісінші жылдардағы 70-100 доллар/ватттан 2000 жылы 3,5 доллар/ваттқа дейін төмендеді және одан әрі құлдырауын жалғастыруда. Батыста бағалар 3 доллардан асқан кезде энергетикалық секторда төңкеріс болады деп күтілуде. Кейбір есептеулер бойынша, бұл 2002 жылдың өзінде-ақ болуы мүмкін, ал Ресей үшін қазіргі энергия тарифтерімен бұл сәт күн энергиясының 1 ватт бағасы 0,3-0,5 долларға, яғни магнитудасы төмен болады. бағасы. Мұнда барлық факторлар бірге рөл атқарады: тарифтер, климат, географиялық ендіктер және мемлекеттің нақты бағаларды белгілеу және ұзақ мерзімді инвестициялау мүмкіндігі. Гетеройысулары бар нақты құрылымдарда тиімділік бүгінгі күні 30% -дан астамға жетеді, ал монокристалды кремний сияқты біртекті жартылай өткізгіштерде - 18% дейін. Монокристалды кремний негізіндегі күн батареяларындағы орташа тиімділік бүгінгі күні шамамен 12% құрайды, бірақ ол 18% жетеді. Бұл негізінен кремний SBs, оларды бүгінде бүкіл әлем бойынша үйлердің төбесінде көруге болады.

Кремнийден айырмашылығы, галлий өте тапшы материал болып табылады, ол кең таралған енгізу үшін қажетті мөлшерде GaAs негізіндегі HFP өндіру мүмкіндігін шектейді.

Галлий негізінен бокситтен өндіріледі, бірақ оны көмір күлінен және теңіз суынан алу мүмкіндігі де қарастырылуда. Галлийдің ең үлкен қоры теңіз суында кездеседі, бірақ ондағы концентрация өте төмен, қалпына келтіру шығымдылығы бар болғаны 1% бағаланады, сондықтан өндіріс шығындары өте жоғары болуы мүмкін. Сұйық және газды эпитаксия әдістерін қолданатын GaAs негізіндегі HFP өндіру технологиясы (бір кристалдың екінші бетінде (субстратта) бағдарланған өсуі) өндіру технологиясымен бірдей дәрежеде әлі әзірленген жоқ. кремний PVS, және нәтижесінде HFP құны қазір кремний күн батареяларының құнынан айтарлықтай жоғары (тапсырыстар бойынша).

Токтың негізгі көзі күн панельдері болып табылатын және массаның, өлшемдердің және тиімділіктің нақты арақатынастары өте маңызды болатын ғарыш аппараттарында күн үшін негізгі материал. Батарея, әрине, галий арсениді. Күн батареяларындағы бұл қосылыстың 3-5 есе шоғырланған күн радиациясымен қыздырылған кезде тиімділігін жоғалтпау қабілеті ғарыштық күн электр станциялары үшін өте маңызды, бұл сәйкесінше тапшы галий қажеттілігін азайтады. Галлийді үнемдеудің қосымша әлеуеті, HFP субстраты ретінде GaAs емес, синтетикалық сапфирді (Al 2 O 3) пайдаланумен байланысты.Жақсартылған технология негізінде оларды жаппай өндіру кезінде HFP құны да айтарлықтай төмендейді және жалпы алғанда GaAs HFP негізіндегі SES конверсиялық жүйесінің энергиясын түрлендіру жүйесінің құны кремний негізіндегі жүйенің құнына айтарлықтай сәйкес келуі мүмкін. Осылайша, қазіргі уақытта қарастырылған екі жартылай өткізгіш материалдардың біріне - кремнийге немесе галлий арсенидіне толық артықшылық беру қиын, және оларды өндіру технологиясының одан әрі дамуы ғана жердегі және ғарыштық үшін қай нұсқа тиімдірек болатынын көрсетеді. күн энергиясына негізделген. СБ тұрақты ток шығаратындықтан, оны 50 Гц, 220 В өнеркәсіптік айнымалы токқа айналдыру міндеті туындайды. Құрылғылардың арнайы класы - инверторлар - бұл тапсырманы тамаша шешеді.

Жақсы жұмысыңызды білім қорына жіберу оңай. Төмендегі пішінді пайдаланыңыз

Білім қорын оқу мен жұмыста пайдаланатын студенттер, аспиранттар, жас ғалымдар сізге шексіз алғысын білдіреді.

1. Кіріспе

3.Жұмыстың физикалық әсері

6. Даму перспективалары

7. Дереккөздер тізімі

1. Кіріспе

Фотоэлектрлік түрлендіргіштер (PVC) фотон энергиясын электр энергиясына түрлендіретін электрондық құрылғы. Сыртқы фотоэффектке негізделген алғашқы фотоэлемент Александр Столетовпен жасалған.

Күн энергиясын электр энергиясына айналдырудың фотоэлектрлік (немесе фотоэлектрлік) әдісі қазіргі уақытта ғылыми және практикалық тұрғыдан ең дамыған. Алғаш рет оны ауқымды энергетикада пайдалану перспективасын сонау 30-жылдары кеңестік физика мектебінің негізін салушылардың бірі, академик А.Ф.Иоффе байқады. Алайда ол кезде күн батареяларының ПӘК 1%-дан аспайтын.

Жаһандық энергетикадағы қазіргі тенденциялар баламалы энергия көздеріне қызығушылықтың айтарлықтай артуына түрткі болуда. PV жасушалары немесе күн батареялары әлемдегі мұнайға тәуелділікті азайту үшін ең перспективалы, экологиялық таза үміткерлер болып табылады және органикалық және бейорганикалық энергия көздерінен айырмашылығы, күн радиациясын тікелей электр энергиясына айналдырады.

Күн адам қол жетімді барлық басқалармен салыстырғанда энергияның ең қуатты көзі болып табылады. Күн радиациясының жалпы қуаты орасан зор санмен өрнектеледі: 4х1026 Вт немесе 4х1014 млрд кВт. Бұл көрсеткіш соншалықты үлкен, онымен салыстыру үшін біздің жердегі масштабта бізге таныс кез келген қолайлы мәнді таңдау қиын. Тіпті Жерге жақын жерде, Күннен шамамен 150 миллион км қашықтықта күн сәулелеріне перпендикуляр орналасқан жер бетінің әрбір шаршы метріне 1,4 кВт сәулелену энергиясы келеді.

Жердің орташа радиусы 6370 км, жердің қимасы 127,6х106 км2. Жерге түсетін күн радиациясының жалпы қуаты 178,6х1012 кВт болатынын есептеу оңай. Бұдан шығатыны, жыл ішінде 1,56х1018 кВт/сағ Жерге сәулелік энергия түрінде беріледі.

Жоғарыда айтылғандай, күн сәулелеріне перпендикуляр орналасқан жер бетінің 1 м2 үшін 1,4 кВт күн радиациясы, ал Жер бетінің 1 м2 (Жер шары) үшін орташа есеппен 0,35 кВт келеді.

Дегенмен, күн радиациясы энергиясының жартысынан астамы Жер бетіне (құрлық пен мұхитқа) тікелей жетпейтінін, бірақ атмосфера арқылы шағылатынын есте ұстаған жөн. Жердегі 1 м2 құрлық пен мұхитқа орташа есеппен шамамен 0,16 кВт күн радиациясы келеді деп есептеледі. Демек, Жердің бүкіл беті үшін күн радиациясы 1014 кВт-қа немесе 105 миллиард кВт-қа жақын. Бұл көрсеткіш, бәлкім, адамзаттың қазіргі ғана емес, болашақтағы энергетикалық қажеттіліктерінен де сан мыңдаған есе жоғары болса керек.

PV ұяшықтары ғарыш кемелеріндегі негізгі электрмен жабдықтау жүйелерін және әртүрлі жабдықтарды қуаттандыру үшін кеңінен қолданылады; Олар сондай-ақ борттық химиялық батареяларды зарядтауға арналған. Сонымен қатар, PV элементтері жердегі стационарлық және жылжымалы объектілерде, мысалы, электр көліктерінің атом электр станцияларында қолданылады. Қанаттардың үстіңгі бетіне орналастырылған күн батареяларының көмегімен Ла-Манш арқылы ұшқан бір орынды тәжірибелік ұшақтың (АҚШ) винтінің жетекші электр қозғалтқышы қуатталды.

Қазіргі уақытта күн батареяларын қолданудың қолайлы аймағы жердің жасанды серіктері, орбиталық ғарыш станциялары, планетааралық зондтар және басқа ғарыш аппараттары болып табылады.

FEP артықшылықтары:

Ұзақ қызмет ету мерзімі;

Аппараттық құралдардың жеткілікті сенімділігі;

Белсенді зат немесе отын шығыны жоқ.

FEP кемшіліктері:

Күнге бағдарлау үшін құрылғылардың қажеттілігі;

Ғарыш аппараты орбитаға шыққаннан кейін PV панельдерін орналастыратын механизмдердің күрделілігі;

Жарықтандыру болмаған кезде жұмыс істемеу;

Сәулеленген беттердің салыстырмалы үлкен аумақтары.

2. Құрылымы және жұмыс істеу принципі

Сыртқы фотоэффектке негізделген фотоэлемент ауа шығарылған шыны шамнан тұрады (вакуумдық фотоэлементтер деп аталады).

Ішкі беті фотосезімтал материал қабатымен жабылған және электрондардың көзі – фотокатод (ФК) болып табылады. Шамның алдыңғы қабырғасында оның бетінің фотосезімтал қабатпен жабылмаған бөлігі жарық сәулелері фотоэлементке еркін өтетін терезе қызметін атқарады. Колбаның ортасында аяғында металл сақина, анод бар, оған оң кернеу беріледі.

Фотокатод бетіне түскен жарықтың әсерінен оған түскен электрондар анодтың электр өрісімен тартылып, фотоэлементтің ішінде фототок пен фотоэлемент қосылған тізбекте электр тогын тудырады.

3.Жұмыстың физикалық әсері

PV жұмысы жартылай өткізгіштердегі ішкі фотоэффектке негізделген. Электр энергиясын өндірудің кез келген әдісімен электр зарядтары болуы және оларды бөлу механизмін қамтамасыз ету қажет. Индукциялық әдісте электр тогын өндіру үшін металл өткізгіштердің бос зарядтары пайдаланылады, ал оларды бөлу магнит өрісіндегі өткізгіштердің қозғалысы нәтижесінде жүзеге асырылады.

Электр энергиясын өндірудің фотоэлектрлік әдісінде құрылымдық бөліктердің механикалық қозғалысы болмайды. Ол жартылай өткізгіш материалдардың қасиеттеріне және олардың жарықпен әрекеттесуіне негізделген. Фотоэлементте бос тасымалдағыштар жартылай өткізгіштің жарықпен әрекеттесуі нәтижесінде түзіліп, элемент ішінде пайда болатын электр өрісінің әсерінен бөлінеді. Осылайша, идеалды жартылай өткізгіште жарықтың жұтылуы жартылай өткізгіште біраз уақыт болатын, қызмет ету мерзімімен анықталатын, өз кезегінде жартылай өткізгіш материалдың құрылымдық жетілдірілуіне байланысты болатын электронды-тесік жұбының пайда болуына әкеледі. Электронды-тесік жұптарының аннигиляция процесі рекомбинация деп аталады.

Жарық диапазонынан барлық сәулелену электрон-саңылау жұбының пайда болуына себепші болмайды, тек оның энергиясы атомның ядросымен электронның байланысын бұзуға жеткілікті. Сондықтан барлық жартылай өткізгіштер жер жағдайында күн радиациясына сезімтал емес.

Кез келген қуат көзі сияқты, оның шығысында тұрақты потенциалдар айырмасы сақталады, ол сыртқы жүктемеге қосылған кезде тізбектегі токтың ағуына әкеледі.

Осылайша, құрылған электронды-тесік жұптарын бөлу керек. Оң және теріс зарядтардың бөлінуі фотоэффекттің нәтижесінде жүреді. Фотоэффект жартылай өткізгіш диод құрылымдарында теріс және оң заряд тасымалдаушыларды бөлетін энергетикалық тосқауыл болған кезде пайда болады. Күн батареяларының көпшілігінің энергетикалық кедергісі электр өткізгіштігінің (электрондық - n-типті және саңылаулы - p-типі) түрі бойынша ерекшеленетін екі жартылай өткізгіш материалдардың интерфейсінде пайда болатын кіріктірілген электр өрісі болып табылады. Фотондар жұтылған кезде тепе-тең емес электронды-тесік жұптары пайда болады, олардың кіріктірілген электр өрісі арқылы бөлінуі жартылай өткізгіш құрылым жарықпен жарықтандырылған кезде болатын фотоэффекттің пайда болуына әкеледі.

Сыртқы радиациялық (жарық, жылулық) әсерлер 2 және 3-қабаттарда миноритарлық заряд тасымалдаушылардың пайда болуын тудырады, олардың белгілері p- және n-аймақтарындағы негізгі заряд тасымалдаушылардың белгілеріне қарама-қарсы. Электростатикалық тартылыс әсерінен қарама-қарсы бос мажоритарлы тасымалдаушылар аймақтардың жанасу шекарасы арқылы диффузияланады және оның жанында p-n гетеройысуын құрайды.

Гетеройысу - бұл екі түрлі жартылай өткізгіштер арасындағы контакт. Көпқабатты жартылай өткізгіш құрылымдарда электрондар мен саңылаулар үшін әлеуетті ұңғымаларды құру үшін гетеробайланыстар әдетте қолданылады.

Жоғарыда айтылғандай, бос мажоритарлы тасымалдаушылар аймақтар арасындағы түйісу шекарасын кесіп өтіп, оның жанында электр өрісінің кернеулігі EK, контакт потенциалының айырмашылығымен p-n гетероиды түзеді:

және потенциалдық энергия кедергісі:

күн электрлік фотоэлементтік түрлендіргіш

ақы алатын негізгі тасымалдаушылар үшін e.

Өріс кернеулігі EK олардың ені S шекаралық қабатынан тыс таралуына жол бермейді. Uk кернеуі мынаған тең:

температурасына T, электрон зарядының р- және n-аймақтарындағы саңылаулардың немесе электрондардың концентрацияларына e және Больцман тұрақтысы k тәуелді. кәмелетке толмаған тасымалдаушылар үшін ЕК - жүргізу өрісі. Ол дрейфтік электрондардың p аймағынан n аймағына, ал тесіктердің n аймағынан p аймағына қозғалысын тудырады. n аймағы теріс заряд алады, ал p аймағы оң заряд алады, бұл pn өткеліне EK-ке қарсы күші EVH сыртқы электр өрісін қолданумен тең. ЕВШ интенсивтілігі бар өріс кішігірім тасымалдаушылар үшін бөгет, ал негізгі тасымалдаушылар үшін қозғалады. Тасымалдаушылар ағынының pn түйісу арқылы динамикалық тепе-теңдігі 1 және 4 электродтарда U0 потенциалдар айырымы – ПВ ашық тізбекті ЭҚК орнатуға әкеледі. Бұл құбылыстар pn өткелінің жарықтандыруы болмаған кезде де болуы мүмкін. PV энергия деңгейлері W болатын кристалдың байланысқан (валенттік) электрондарымен соқтығысатын жарық кванттары (фотондар) ағынымен сәулеленсін.

Егер фотон энергиясы:

мұндағы v - жарық толқынының жиілігі, h - Планк тұрақтысы W-ден үлкен, электрон деңгейден шығып, осы жерде тесік жасайды; pn өткелі электронды-саңылау жұптарын бөледі, ал эмф U0 артады. Егер RN жүктеме кедергісін қоссаңыз, I ток контур арқылы өтеді, оның бағыты электрондардың қозғалысына қарама-қарсы. Саңылаулардың қозғалысы жартылай өткізгіштердің шекараларымен шектеледі, олар сыртқы тізбекте болмайды. Ток I жарық ағынының интенсивтілігінің жоғарылауымен өседі Ф, бірақ шекті токтан аспайды FE-де, ол барлық валенттік электрондарды бос күйге көшіру арқылы алынады: азшылықты тасымалдаушылар санының одан әрі көбеюі мүмкін емес. K3 режимінде (RН=0, UН=IRН=0) өріс кернеулігі Евш =0, p-n өту (өріс кернеулігі ЕК) азшылық тасымалдаушылардың жұптарын барынша қарқынды түрде бөледі және берілген F үшін ең жоғары фотоэлемент тогы IФ алынады. Бірақ K3-те режимі, бос жұмыс кезіндегідей (I=0), пайдалы қуат P=UNI=0 және 0 үшін 0.

4. Жұмыс сипаттамалары және параметрлері

Фотоэлектрлік түрлендіргіштердің (ПВХ) нақты жұмыс шарттары құрылғы құрылымдарының әртүрлі сыртқы қолайсыз факторлардың мерзімдік әсер етуімен байланысты, бұл ПВХ пайдалану сипаттамаларының нашарлауына әкеледі. Жаңа PV конструкцияларын жобалау және әзірлеу кезеңінде сыртқы факторлардың теріс әсерін барынша азайту және осыны ескере отырып, фотоконвертер дизайнын оңтайландыру маңызды. Бұл жоғалтулардың шамасын анықтау, бір жағынан, тиімділіктің (тиімділіктің) төмендеуінің себебін анықтауға, екінші жағынан, күн батареяларын өндіру технологиясын жақсартуға мүмкіндік береді.

Күн батареясының p-n түйісуіне берілетін энергия мен одан алынған энергияның балансын келесідей көрсетуге болады:

мұндағы Eg – жартылай өткізгіштің жолақ саңылауы, Nc және Nv – сәйкесінше өткізгіштік және валенттік зоналардың шеттеріндегі күйлердің тиімді тығыздықтары; Iph=Isq - қысқа тұйықталу тогы, In, Un - PV үлгісімен қамтамасыз етілген Pel.max максималды электр қуатына сәйкес жүктемедегі ток және кернеу.

мұндағы A – const, Io – қанығу тогы.

(1) өрнекке сәйкес берілген сәулелену энергиясы, жоғалған және разрядталған электр энергиясы диаграмма түрінде берілген.Төмендегі суреттегі қисық жүктеме сипаттамасын көрсетеді.

1 және 2 тіктөртбұрыштар контактілерді қыздыруға арналған энергия шығындарына, 3 - p-n өту аймағындағы энергия шығындарына, 4 - жойылған пайдалы электр энергиясына, 5 - қараңғы ток ағыны кезінде электронды-тесік жұптарының рекомбинациясы кезіндегі жоғалтуларға сәйкес келеді. Жалпы алғанда, барлық төртбұрыштардың ауданы берілген сәулелену энергиясына сәйкес келеді.

Осылайша, құрылғыдағы жүктеме сипаттамасын анықтау энергия шығындарының құрамдас бөліктерінің арақатынасын орнатуға мүмкіндік береді, ал бұл қатынасты әртүрлі жарықтандыру деңгейлерінде және PV үлгісінің әртүрлі температураларында өзгерту себептерін талдауға және дизайнды оңтайландыруға мүмкіндік береді. PV.

Күн батареясының қараңғы ток-кернеу сипаттамалары кәдімгі жартылай өткізгіш диодтың ток-кернеу сипаттамаларына ұқсас. Егер күн батареясы жарықпен жарықтандырылса, оның ток кернеуінің сипаттамасы өзгереді. Фототүрлендіргіштің жүктеме шамының ток-кернеу сипаттамасы - бұл жарықтандырылған күн батареясының қысқыштарына қосылған сыртқы жүктеменің Rн кедергісі арқылы өтетін жүктеме тоғының Iн кернеуінің монотонды өзгеруімен осы кедергідегі кернеудің төмендеуіне тәуелділігі. Rн мәні нөлден шексіздікке дейін. =f(Un) тәуелділігінен келесі шығыс параметрлерін алуға және есептеуге болады: бос кернеу Uхх, қысқа тұйықталу тогы Isc, толтыру коэффициенті FF, максималды электр қуаты Рнmax.

Тиімділік коэффициенті h:

мұндағы W – түсетін жарық ағынының қуаты; Uхх - ашық тізбектегі кернеу; Is - қысқа тұйықталу тогы, FF - жарық ток-кернеу сипаттамасының толтыру коэффициенті.

Зертханалық жағдайда қол жеткізілетін фотоэлементтердің және модульдердің максималды тиімділік мәндері

	түрлендіру, %		түрлендіру, %
Кремний		CdTe (фотоэлемент)
Si (кристалдық)		Аморфты/нанокристалды кремний
Si (поликристалды)		Si (аморфты)
Si (жұқа пленка беру)		Si (нанокристалды)
Si (жұқа пленка субмодульі)		Фотохимиялық
		Органикалық бояғыштарға негізделген
GaAs (кристалдық)		Органикалық бояғыштарға негізделген (субмодуль)
GaAs (жұқа пленка)		Органикалық
GaAs (поликристалды)		Органикалық полимер
InP (кристалдық)		Көпқабатты
Халькогенидтердің жұқа қабықшалары
CIGS (фотоселектор)
CIGS (қосалқы модуль)		GaAs/CIS (жұқа пленка)

Фотоэлектрлік түрлендіргіштің тиімділігі жартылай өткізгіш материалдың оптикалық және электрофизикалық қасиеттеріне байланысты:

1. Жартылай өткізгіштің бетінен түсетін жарықтың шағылысу дәрежесі соғұрлым көп болады

негізгі қабатқа терең енеді, тиімділігі соғұрлым жоғары болады.

2. Жұтылған фотондар санының түзілген электрондар санына қатынасын көрсететін жартылай өткізгіштің кванттық шығымы. Бұл коэффициент әрқашан бірліктен аз, өйткені кейбір фотондар жартылай өткізгіштің әртүрлі құрылымдық кемшіліктерімен жұтылады, бұл электронды-тесік жұбының пайда болуына әкелмейді.

3. Мүмкіндікті қамтамасыз ету керек заряд тасымалдаушылардың диффузиялық ұзындығы

жұптардың олардың бөлінуі орын алатын энергетикалық кедергіге диффузиясы. Заряд тасымалдаушылардың диффузиялық ұзындығы, жарықтандырылған бетке қатысты p-n өткелінің тереңдігі және оның артында орналасқан жартылай өткізгіш қабаттың қалыңдығы арасындағы қатынасты бірлесіп оңтайландыру қажет.

4. Күн радиациясының негізгі жұту жолағының спектрлік жағдайы

5. Заряд тасушының бөліну тиімділігін анықтайтын p-n өткелінің түзеткіш сипаттамаларынан.

6. p-n өткелінің екі жағындағы жартылай өткізгіш аймақтардың қоспалану дәрежесі, ол

басқа PV қабаттарының кедергісін азайту талабымен бірге ток жинайтын контактілердің пішіні мен орналасуы ток көзінің төмен ішкі тұрақты электрлік кедергісін қамтамасыз етеді.

5. Монокристалды кремний негізіндегі PV элементтерінің конструкторлық және технологиялық шешімдері

Конструкциялық және технологиялық шешімі бойынша фотоэлектрлік түрлендіргіштер жоғары технологиялық электрондық өнімдер болып табылады. Ең кең тараған, сенімді және ұзаққа созылатыны - ғарыш аппараттарын қуаттандыру үшін алғаш рет ондаған жылдар бұрын қолданылған монокристалды кремний негізіндегі күн батареялары. 2000 жылы жалпы қуаттылығы 200 МВт монокристалдарға негізделген PV ұяшықтары жердегі қолдану үшін шығарылды.

Көбінесе бір-бірін жоққа шығаратын талаптарды үйлестіруге және оңтайлысын табуға ұмтылу

компромисстік техникалық шешім әзірлеушілерге төмендегі суретте көрсетілген түпнұсқалық PV дизайнын таңдауға әкелді. Қазіргі уақытта кеңістікте де, жер бетінде де қолдануда жетекші орынға ие біртекті p-n өтуі бар монокристалды кремнийлі фотоэлектрлі түрлендіргіштер үшін көбінесе нақты қолданбалар үшін оңтайландырылған дизайн әдісі қолданылады.

http://www.allbest.ru/ сайтында жарияланған.

6. Даму перспективалары

Қондырғылардың жоғары бағасы күн модульдерінің жоғары құнымен анықталады. Монокристалды кремнийлі күн батареяларын өндіруде олардың жұмыс істеуінің барлық кезеңінде (20-25 жыл) өзін ақтамайтын энергия мен еңбектің соншалықты мөлшері жұмсалады. Сонымен қатар, поликристалды кремний таспаға негізделген PV ұяшықтары тиімділік мәндерінің төмендігіне қарамастан, коммерциялық тұрғыдан өте тартымды, өйткені олардың жұмыс істеуі кезінде олар өндіріске жұмсалғанға қарағанда әлдеқайда көп электр энергиясын шығарады.

Көптеген ғалымдардың пікірінше, жер бетінде пайдалану үшін ең перспективалы болып жұқа қабықшалы күн батареялары табылады, олардың массалық өндірісіндегі төмен құны және жеткілікті тиімділігі фотоэлементтің қалыңдығын 100 есе қысқартумен анықталады. Ең жоғары тиімділікті қалыңдығы бірнеше микрон ретті Cu(In,Ga)Se2, CdTe жартылай өткізгіш поликристалды қосылыстардың қабықшалары және гидрогенизацияланған аморфты кремний aSi:H қабықшалары негізіндегі күн батареялары көрсетеді.

7. Дереккөздер тізімі

1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. «Күн радиациясының концентрациясын фотоэлектрлік түрлендіру»

2. Шутов С.В., Аппазов Е.С., Марончук А.И. «Температураның төтенше ауытқуы жағдайында фотоэлектрлік түрлендіргіштерді сынау»

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://www.solar-odessa.com.ua/rus/documents/tech/photovoltage.pdf

Allbest.ru сайтында жарияланған

Ұқсас құжаттар

Физикалық шамаларды өлшеу әдістерін қарастыру және оларды салыстырмалы талдау. Фотоэлектрлік түрлендіргіштердің жұмыс принципі. Шамадан тыс пайда. Сәулелік қабылдағыштардың қателіктерінің көздері. Өлшеу жағдайларының тұрақсыздығынан болатын қателер.

курстық жұмыс, 12/06/2014 қосылған


Сәулелену энергиясының фотоэлектрлік қабылдағыштары. Материалдардың электрлік, фотоэлектрлік және оптикалық қасиеттері. Фоторезисторлар, олардың қасиеттері және жұмыс принципі. Фоторезисторлардың жарық сипаттамалары. Материалдардағы валенттік электрондардың энергетикалық спектрі.

аннотация, 15.01.2015 қосылған


Серпімді сәуле түріндегі механикалық сигнал өлшегіш түрлендіргіштердің, пьезоэлектрлік, сыйымдылық, фотоэлектрлік және электромагниттік түрлендіргіштердің конструкциясы, жұмыс істеу принципі, сипаттамасы. Есептеулер арқылы олардың сандық мәндерін бағалау.

курстық жұмыс, 11.11.2013 қосылған


Индуктивті, сыйымдылық, магнитостриктивтік, реостаттық және Холл түрлендіргіштерінің қасиеттері. Түрлендіргішке қойылатын негізгі талаптар, оның жұмыс істеу принципі. Түрлендіру функциясын, сезімталдықты, негізгі параметрлерді және қатені есептеу.

курстық жұмыс, 29.07.2013 қосылған


Үздіксіз сигналдарды дискреттіге түрлендіру үшін аналогты-цифрлық түрлендіргіштерді (ADC) пайдалану. Цифрлық-аналогтық түрлендіргіштердің (ЦҚ) көмегімен цифрлық сигналды аналогқа түрлендіру. ADC және DAC жұмыс принциптерін талдау.

зертханалық жұмыс, 27.01.2013 қосылған


Электрмеханикалық аналогия әдісі: механикалық құрылғыларды талдауды эквивалентті электр тізбектерін талдауға дейін төмендету. Механикалық энергияны электр энергиясына электромеханикалық түрлендіргіштер. Электр механикалық түрлендіргіштердің негізгі жүйелері.

аннотация, 16.11.2010 қосылған


Трансформацияның түсінігі және негізгі сипаттамалары, олардың сезімталдығын бағалау әдістері, шектері мен қателіктері. Электрлік емес шамаларды түрлендірудің негізгі әдістері. Электрлік емес шамалардың параметрлік және генераторлық түрлендіргіштерінің жұмыс істеу принципі.

аннотация, 11.01.2016 қосылған


Күн фотоэлектрін орнату схемасы. Электр қозғалтқышын таңдау және тасымалдау функцияларын анықтау. MATLAB көмегімен автоматты басқару жүйесін модельдеу. Микроконтроллерді, мотор драйверін және жарық деңгейінің сенсорын таңдау.

курстық жұмыс, 08.11.2012 қосылған


Фотоэлектрлік орналасу датчиктері, сипаттамалары, қолдану аясы, олардың жұмыс істеу принципі. Цифрлық және аналогтық шығыстары бар ультрадыбыстық есептегіштер, олардың артықшылықтары. Индуктивті орын және орын ауыстыру датчиктері, өлшеу принципі, қосылу схемасы.

курстық жұмыс, 25.04.2014 қосылған


Модельдеу объектісі ретінде күн батареясы. Күн батареяларының математикалық моделін құру және жөндеудің жалпы принциптері. Кристалды жартылай өткізгіш материалдар. Ғарыштық және жер үсті мақсаттарға арналған фотоэлектрлік жүйелерді құру бойынша ұсыныстар.

9-сурет. Фотоэлектрлік түрлендірудің мысалы ретінде күн батареясы

Фотоөткізгіш түрлендіргіштер

Бұл түрлендіргіштер өлшенген шаманың өзгеруін қолданылатын материалдың кедергісінің өзгеруіне түрлендіреді (8-сурет). Қолданылатын материалдар жартылай өткізгіштер болғанымен, фотоөткізгіш түрлендіргіштер әрқашан жартылай өткізгіштер бола бермейді, өйткені оларда жартылай өткізгіштердің әртүрлі түрлері арасында ауысулар болмайды. Мұндай түрлендіргіштер пассивті деп аталады, яғни. сыртқы қуат қажет. Көбінесе олардың атауы қолданылатын түрлендіру түрін сипаттайды, мысалы, фотосезімтал резисторлар.

Материалдың кедергісі негізгі заряд тасымалдаушылардың тығыздығына байланысты және сәулелену қарқындылығы артқан сайын тығыздық өсетіндіктен, өткізгіштік артады. Өткізгіштік кедергіге кері пропорционал болғандықтан, қарсылық сәулелену қарқындылығына кері функция деп қорытынды жасауға болады. Толық сәулелену кезінде қарсылық мәні әдетте 100-200 Ом, ал толық қараңғылықта бұл қарсылық мегаомға тең. Жарыққа тәуелді резисторларды жобалауда жиі қолданылатын материалдар кадмий сульфиді немесе кадмий селениді болып табылады.

Күн батареялары

Күн батареялары - бұл шығарылатын электромагниттік энергияны электр энергиясына түрлендіретін фотовольтаикалық түрлендіргіштер, яғни. өлшенген сәулелену мәнінің өзгеруі шығыс кернеуінің өзгеруіне түрленеді (9-сурет).

Түрлендіргіштің конструкциясы екі өткізгіш электродтардың арасына орналастырылған фотосезімтал жоғары кедергісі бар материал қабатын қамтиды. Электродтардың бірі мөлдір материалдан жасалған, ол арқылы сәуле өтіп, фотосезімтал материалға түседі. Толық жарықтандырылған кезде бір элемент электродтар арасында шамамен 0,5 В шығыс кернеуін тудырады.

Әдетте, фотоэлектрлік қабат ретінде жартылай өткізгіш клапан фотоэлементтер (блокировкалы қабаты бар фотоэлементтер) қолданылады (9-сурет). Қараңыз: Клапан фотоэлементтерінің конструкциялары

Электр энергиясының көзі ретінде қолданылатын фотоэлементтердің маңызды параметрлерінің бірі - ПӘК (эффективтілік) коэффициенті. Күн батареясының ПӘК – бұл фотоэлементтен алынатын электр тоғының максималды қуатының фотоэлементке түсетін жарық сәулесінің қуатына қатынасы. Пәрменділік неғұрлым жоғары болса, ток тасушыларды генерациялауға қатысатын жарық спектрінің бөлігі соғұрлым көп болады. Күн батареяларының тиімділігін арттыру жолдарының бірі спектрлік сипаттамалары барынша кең фотоэлементтерді жасау болып табылады. Кремнийден жасалған фотоэлементтердің тиімділігі 12% дейін жетеді. Галлий арсенидінің қосылыстары негізіндегі фотоэлементтердің тиімділігі 20% дейін жетеді.

Күн энергиясын электр энергиясына түрлендірудің фотоэлектрлік әдісі фотоэффект құбылысына – күн радиациясының кванттарының әсерінен сәуле қабылдағыштағы өткізгіш электрондардың шығуына негізделген.

Бұл әсер жартылай өткізгіш материалдарда қолданылады, онда сәулелену кванттарының энергиясы h жасайды, мысалы, бойынша б–n- фототоктың ауысуы

I f =eN e ,

Қайда Н e– түйіспеде потенциалдар айырмасын тудыратын электрондар саны, нәтижесінде ағып кету тогы түйіспеде қарама-қарсы бағытта өтеді. I, тұрақты болып табылатын фототокқа тең.

Фотоэлектрлік түрлендіру кезіндегі энергияның жоғалуы фотондардың толық пайдаланылмауынан, сондай-ақ қазірдің өзінде пайда болған өткізгіш электрондардың шашырауынан, кедергісі мен рекомбинациясынан болады.

Өнеркәсіпте өндірілетін ең көп таралған күн батареялары (фотоэлементтер) пластинка тәрізді кремний жасушалары болып табылады. Күн батареяларының тиімділігін арттыру және құнын төмендету үшін әзірленетін басқа да түрлері мен конструкциялары бар.

Күн батареясының қалыңдығы оның күн радиациясын сіңіру қабілетіне байланысты. Жартылай өткізгіш материалдар кремний, галлий арсениді және т.б., өйткені олар жеткілікті ұзын толқын ұзындығымен күн радиациясын сіңіре бастайды және оның едәуір бөлігін электр энергиясына айналдыра алады. Күн радиациясын әртүрлі жартылай өткізгіш материалдармен жұту пластиналардың қалыңдығы 100-ден 1 микронға дейін немесе одан аз болған кезде ең үлкен мәнге жетеді.

Күн батареяларының қалыңдығын азайту материалдардың шығынын және оларды өндіру құнын айтарлықтай төмендетуі мүмкін.

Жартылай өткізгіш материалдардың сіңіру қабілетінің айырмашылығы олардың атомдық құрылысындағы айырмашылықтармен түсіндіріледі.

Күн энергиясын электр энергиясына айналдыру тиімділігі жоғары емес. Кремний элементтері үшін 12...14% артық емес.

Күн батареяларының тиімділігін арттыру үшін күн батареясының алдыңғы жағында шағылысқа қарсы жабындар қолданылады. Осының нәтижесінде таралатын күн радиациясының үлесі артады. Жабынсыз элементтер үшін шағылысу жоғалтулары 30% жетеді.

Жақында күн батареяларын жасау үшін бірқатар жаңа материалдар қолданылды. Олардың бірі аморфты кремний, оның кристалды кремнийден айырмашылығы дұрыс құрылымы жоқ. Аморфты құрылым үшін фотонды жұту және өткізгіштік зонаға өту ықтималдығы үлкен. Сондықтан оның сіңіру қабілеті жоғары. Галий арсениді (GaAs) да қолданылады. GaAs негізіндегі элементтердің теориялық тиімділігі 25% жетуі мүмкін, нақты элементтердің тиімділігі шамамен 16%.

Жұқа қабықшалы күн батареяларының технологиясы әзірленуде. Бұл элементтердің зертханалық жағдайда тиімділігі 16% -дан аспайтынына қарамастан, олардың құны төмен. Бұл, әсіресе, жаппай өндірістегі шығындар мен материалды тұтынуды азайту үшін өте маңызды. АҚШ пен Жапонияда жұқа пленка элементтері 8 ... 9% тиімділігімен ауданы 0,1 ... 0,4 м 2 аморфты кремнийде өндіріледі. Ең көп тараған жұқа қабықшалы күн батареясы - тиімділігі 10% болатын кадмий сульфидті (CdS) жасушалар.

Жұқа қабықшалы күн батареялары технологиясының тағы бір жетістігі көп қабатты жасушаларды өндіру болды. Олар күн радиациясының спектрінің көп бөлігін қамтуға мүмкіндік береді.

Күн батареясының белсенді материалы өте қымбат. Неғұрлым тиімді пайдалану үшін күн радиациясын концентрлеуші ​​жүйелер арқылы күн батареясының бетіне жинайды (2.7-сурет).

Радиация ағынының жоғарылауы кезінде оның температурасы белсенді немесе пассивті салқындату арқылы қоршаған ауа температурасы деңгейінде сақталса, элементтің сипаттамалары нашарламайды.

Линзалар (әдетте жалпақ Френель линзалары), айналар, толық ішкі шағылысу призмалары және т.б. негізделген шоғырландырғыш жүйелердің үлкен саны бар. Егер күн элементтерінің немесе модульдердің біркелкі емес сәулеленуі орын алса, бұл күн батареясының бұзылуына әкелуі мүмкін.

Концентрациялық жүйелерді пайдалану күн электр станцияларының құнын төмендетуге мүмкіндік береді, өйткені концентрациялық элементтер күн батареяларына қарағанда арзанырақ.

Күн батареяларының бағасы арзандағандықтан, үлкен фотоэлектр қондырғыларын салу мүмкін болды. 1984 жылға қарай АҚШ, Италия, Жапония, Сауд Арабиясы және Германияда қуаттылығы 200 кВт-тан 7 МВт-қа дейінгі салыстырмалы түрде үлкен 14 күн электр станциясы салынды.

Күн фотоэлектрлік қондырғының бірқатар артықшылықтары бар. Ол таза және сарқылмайтын энергия көзін пайдаланады, қозғалатын бөліктері жоқ, сондықтан техникалық қызмет көрсету қызметкерлерінің тұрақты бақылауын қажет етпейді. Күн батареяларын жаппай өндіруге болады, бұл олардың құнын төмендетеді.

Күн батареялары күн модульдерінен жиналады. Сонымен қатар, энергияны түрлендірудің бірдей тиімділігі және бірдей өндіріс технологиясы бар бұл құрылғылардың түрлері мен өлшемдерінің үлкен таңдауы бар.

Күн энергиясын беру кезеңді болғандықтан, күн энергиясын да, табиғи газды да пайдаланатын гибридті электр станцияларына фотоэлектрлік жүйелерді қосу өте ұтымды. Бұл станцияларда жаңа буын газ турбиналарын пайдалануға болады. Фотоэлектрлік панельдер мен дизельдік генераторлардан тұратын гибридті төмен қуатты электр станциялары қазірдің өзінде сенімді энергия жеткізушілері болып табылады.