Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Фотоелектричний перетворювач (ФЕП)
• 4. Принцип дії фотоелектричних перетворювачів
• 5. Каскадні фотоелектричні перетворювачі
• 6. Лінзові сонячні панелі
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

У наш час проявляється великий інтерес до використання оновлюваних (альтернативних) джерел енергії: сонячної, вітрової, геотермальної та інші. За рівнем надходить на Землю відновлюваної енергії Сонце є найпотужнішим з відомих джерел. Тому розробка пристроїв використовують сонячну енергію є однією з перспектив.

Застосування фотоелектричних перетворювачів для виробництва електроенергії дозволяє комплексно вирішувати питання енергопостачання, захисту навколишнього середовища, економії викопних джерел енергії. Їх спільне використання з різними пристроями силової електроніки в системах електропостачання, з'єднаних з мережею, дозволяє отримувати багатофункціональні системи .

1. Актуальність теми

Сонячна енергетика є відносно новим способом виробництва електроенергії. Бурхливий розвиток цієї галузі почався в середині 2000-х років і було викликано, головним чином, політикою розвинених країн (в першу чергу, країн Євросоюзу) по зниженню залежності від вуглеводневої сировини в електроенергетиці і прагненням досягти цілей зі скороченням викидів парникових газів. Крім того, швидкому розвитку галузі сприяло зниження вартості виробництва сонячних панелей і зростання їх ефективності.

В даний час фотоелектричні перетворювачі енергії стають все більш популярними для електропостачання різних об'єктів. За останні 10 років обсяги інсталяцій фотоелектричних модулів серйозно виросли, що на певному етапі призвело до дефіциту кристалічного кремнію (основного матеріалу фото енергетики) і до появи альтернативних технологій виробництва фотоелектричних перетворювачів .

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Основною метою роботи є аналіз і застосування фотоелектричних перетворювачів в енергопостачанні, їх особливостей і недоліків, методів підвищення їх ефективності, оцінки працездатності та можливості застосування в енергоринку.

3. Фотоелектричний перетворювач (ФЕП)

Окремий фотоелектричний перетворювач – це напівпровідниковий прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Перетворення енергії світла в електрику відбувається на рівні атомної будови тіла. Кремній є найбільш поширеним матеріалом для виготовлення ФЕП. Кожен окремий ФЕП здатний виробляти напругу порівняно малої величини (близько 0,5 В), тому окремі елементи збирають в модулі, а модулі в панелі (рис. 1).

Сонячна батарея виробляє електроенергію при попаданні на її поверхню сонячного світла, це означає, що в нічний час доби сонячна панель не генерує електрику. Але, як правило, нам необхідна електроенергія круглу добу, тому в систему сонячних панелей вводитися блок акумуляторних батарей. За своїм призначенням він виконує функцію, накопичення електроенергії в момент її надлишку, і віддає в момент її нестачі.

4. Принцип дії фотоелектричних перетворювачів

Перетворення енергії електромагнітного сонячного випромінювання в фотоелектричних перетворювачах (ФЕП) засновано на фотовольтаїчному ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при впливі на них сонячного випромінювання.

Основні переваги ФЕП:

• При роботі немає викидів забруднюючих речовин в навколишнє середовище;
• Економія викопного палива;
• Відсутність рухомих елементів, висока експлуатаційна надійність установки, забезпечують термін служби 20 і більше років;
• Зниження експлуатаційних витрат;
• Модульний принцип системи (для збільшення потужності установки досить збільшити кількість панелей) відповідно до реальної потреби користувачів.

Основні недоліки ФЕП:

• Висока питома вартість конструкції;
• Виробництво енергії не постійно, через обертання Землі і погодних умов;
• Необхідність очищення поверхні фотоелектричних перетворювачів від пилу.

Фотоелектричний елемент складається з металевого підстави, що виконує роль позитивного контакту, напівпровідників p-типу і n-типу, що утворюють p-n-перехід. На поверхні n-шару розташована металева струмознімальних контактна система.

На рисунку 2 зображено фотоелектричний елемент і його енергетичний баланс, який показує значний відсоток сонячного випромінювання, який не перетворюється в електричну енергію.

Процес перетворення сонячного випромінювання в електрику, супроводжується наступними фізичними процесами: 1 – поділ зарядів (виникнення надлишкових електронів і дірок); 2 – рекомбінація; 3 – пропускання; 4 – відображення і затінення поверхні лицьовими контактами.

Взаємодія фотонів з матеріалом фотоелектричного елемента (ФЕ), визначається відомим виразом:

де h – постійна Планка (6,63 × 10^-34);

ν – частота електромагнітного випромінювання (сонячного світла).

Відповідно до зонної теорії, якщо енергія поглинутих фотонів перевищує ширину зони заборонених енергій напівпровідника (E_ф>E_з.зони,) відбувається виникнення вільних фотоелектронів і дірок (фотовольтаїчних ефект). Для різних напівпровідників існує граничне значення частоти ν_мин, яка визначається шириною забороненої зони, нижче якої поділу зарядів не відбувається.

Надходить на поверхню ФЕ сонячна енергія,яка витрачається наступним чином:

• 3% – втрати, пов'язані з віддзеркаленням та затінення поверхні ФЕП лицьовими контактами;
• 23% – енергія, що надходить з фотонами з частотою випромінювання нижче, ніж ν_мин і енергією недостатньою для звільнення електронів, виділяється у вигляді тепла і викликають нагрівання ФЕ;
• 74% – енергія фотонів з частотою вище ніж ν_мин, тобто здатних викликати фотоефект. Ця енергія розподіляється наступним чином:
• 13% – йде на генерацію корисної електричної енергії;
• 32% – фотони, які пройшли крізь елемент, але не взяли участі в розподілі зарядів (пропускання);
• 8,5% – процес рекомбінації вільних носіїв заряду;
• 20% – витрачається на створення об'ємного електричного заряду в елементі, насамперед в областях переходу;
• 0,5% – йде на покриття електричних втрат на послідовному опорі (втрати провідності).

Для зменшення видів витрат енергії в ФЕП розробляються та успішно застосовується різні заходи. До їх числа відносяться:

• Створення каскадних ФЕП із спеціально підібраних по ширині забороненої зони напівпровідників, що дозволяють перетворити в кожному каскаді випромінювання, що пройшло через попередній каскад;
• Використання напівпровідників з оптимальною для сонячного випромінювання шириною забороненої зони;
• Оптимізація конструктивних параметрів ФЕП (глибини залягання p-n-переходу, товщини базового шару, частоти контактної сітки тощо);
• Застосування багатофункціональних оптичних покриттів, що забезпечують просвітлення, терморегулювання і захист ФЕП від космічної радіації;
• Текстурування поверхні для зменшення коефіцієнта відбиття.

5. Каскадні фотоелектричні перетворювачі

Більшість сучасних сонячних елементів володіють одним p-n-переходом. В такому елементі вільні носії заряду створюються тільки тими фотони, енергія яких більше або дорівнює ширині забороненої зони. Іншими словами, фотоелектричний відгук одно перехідного елемента обмежений частиною сонячного спектру, з енергією, що перевищує ширину забороненої зони, а фотони меншою енергії корисно не використовуються. Один із шляхів подолання цього обмеження – застосування багатошарових структур з двох і більше сонячних елементів з різною шириною забороненої зони. Такі елементи називаються багато перехідними або каскадними. Каскадні елементи можуть досягти більшої ефективності фотоелектричного перетворення, оскільки використовують значно більшу частину сонячного спектру.

У типовому каскадному сонячному елементі (див. рис. 6) одиночні фотоелементи розташовані один за одним таким чином, що сонячне світло спочатку потрапляє на елемент з найбільшою шириною забороненої зони, при цьому поглинаються фотони з найбільшою енергією. Не поглинені верхнім шаром фотони проникають в наступний елемент з меншою шириною забороненої зони, де частина їх поглинається і т. д.

\

Сучасний досвід розробки трьох каскадних фотоелементів дозволяє сподіватися на практичну реалізацію підвищених значень ккд в чотирьох-, п'яти-, а може бути, і в ще більш багатокаскадних структурах. Немає жодних науково-теоретичних сумнівів, що надії виправдаються, якщо будуть знайдені відповідні матеріали для проміжних каскадів, і ці матеріали будуть мати належну якість.

6. Лінзові сонячні панелі

Ефективне використання сонячної енергії в інтересах широкого розвитку екологічно чистої електроенергетики можливо лише в разі застосування досить потужних сонячних фотоелектричних установок, які мають високий ККД і відносно низьку вартість. Ці суперечливі вимоги можуть бути успішно задоволені при створенні установок з концентраторами сонячного випромінювання і високоефективними гетероструктурними фотоелектричний перетворювач на основі арсеніду галію. Як концентраторів при цьому доцільно використовувати дешеві плоскі лінзи Френеля, об'єднані в багатоелементному блоки, ККД яких може досягати 85-90%.

Оптимальна ступінь концентрації сонячного випромінювання в таких установках для наземних умов застосування становить 400-800. Це дозволяє приблизно в таку ж кількість разів зменшити площу напівпровідникових сонячних елементів (СЕ), необхідну для вироблення заданої електричної потужності, порівняно з плоскими сонячними батареями, перетворюючими неконцентрированное сонячне випромінювання, і дає можливість використовувати дорогі високоефективні СЕ на основі арсеніду галію без збільшення вартості установки.

Концентрування сонячного випромінювання дозволяє, крім того, підвищити ККД гетероструктурних СЕ до 25% і більше в одно перехідних елементах і до 35% – у каскадних. При таких значеннях ККД і безперервному спостереженні за Сонцем, необхідному при використанні концентраторів, питома енергос'ем з одиниці площі лучеспринимающей поверхні установки буде в 2-3 рази вище в порівнянні з нерухомими плоскими кремнієвими сонячними батареями(СБ). Відповідно менше будуть загальна площа і маса установок з концентраторами, витрата матеріалів і обсяг робіт, пов'язаних з їх створенням і монтажем.

Висновки

Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для перетворення сонячної енергії в електричну є напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), оскільки це прямий, одноступінчатий перехід енергії. ККД вироблених в промислових масштабах фотоелементів в середньому становить 16%, у кращих зразків досягає 25%. У лабораторних умовах влітку 2013 року компанія Sharp досягла ККД ФЕП в 44,4%, проте вже в вересні німецькі вчені з Інституту сонячної енергії суспільства Фраунгофера і Берлінського центру матеріалів і енергії імені Гельмгольца заявили про створення найефективнішого фотоелемента в світі, ККД якого становить 44,7%.

В роботі розглянуті різні види фотоелектричних перетворювачів, аналіз їх характеристик, а також методи підвищення їх ефективності.

Перелік посилань

1. Крюков К.В., Сазонов В.В., Кваснюк А.А. Использование фотоэлектрических преобразователей в системах электроснабжения // Труды Всероссийской научно-практической конференции, г. Москва, 1-3 июня 2010 г. – Москва, Россия / Т.2:Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем. – 2010, Секция 5-9. – С. 111-112.
2. Калабушкина Н.М., Киселева С.В., Михайлин С.В., Тарасенко А.Б., Усанов А.Б. Традиционные и перспективные фотоэлектрические модули и их применение в фото энергетических системах // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – 2013. – № 13 (135). – С. 10-18.
3. Солнечная энергетика [Электронный ресурс] – Режим доступа: alteco.in.ua. – (дата обращения: 12.11.2017).
4. Walker G.R., Sernia P.C. Cascaded DC-DC converter connection of photovoltaic modules // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2004. – Vol. 19. No. 4. July 2004. – С. 1130-1139.
5. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии [Электронный ресурс] – Режим доступа:gigavat.com. – (дата обращения: 14.11.2017).
6. Развитие солнечных технологий в мире. Дирекция по экономике отраслей ТЭК // Информационная справка аналитического центра при правительстве российской федерации, октябрь 2013. – 2013. – С. 2-3.
7. Портал по энергоснабжению Энергосовет [Электронный ресурс] – Режим доступа: energosovet.ru – (дата обращения: 15.11.2017).
8. Technical Application Papers №10. Photovoltaic plants, 2010. – 9 с.
9. Фотоэлементы. Фотоэлектрические преобразователи [Электронный ресурс] – Режим доступа: gigavat.com – (дата обращения: 19.11.2017).
10. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. – 2004. – том 38. – С. 941–942.
11. Сайт компании Авистэн Фотоэлектрические панели [Электронный ресурс] – Режим доступа: avisten.ural.ru – (дата обращения: 20.11.2017).
12. Нетрадиционные источники питания [Электронный ресурс] – Режим доступа: allalternativee.com – (дата обращения: 20.11.2017).