Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные источники энергии. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф едра «Промышленная теплоэнергетика»
НЕТРАДИЦИОННЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Часть 1
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2019
1
Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от
27.04.2018 г.).
УДК 620.97
К 78
Краснова Н.П.
К 78 Нетрадиционные источники энергии. Часть 1: учеб. пособие /
Н.П. Краснова, И.В. Макаров, А.С. Горшенин, Ю.И. Рахимова. – Самара: Самар.
гос. техн. ун-т, 2019. – 48 с.
Рассмотрены основные теоретические положения, касающиеся нетрадиционной энергетики, в частности солнечной и гидроэнергетики, приведены контрольные вопросы и задачи для применения теоретических основ, изложенных
в пособии.
Материал предназначен для студентов высших технических учебных заведений. Может быть полезен инженерам-теплотехникам.
Р ец ензент: д-р техн. наук, проф. А.И. Щелоков
УДК 620.97
К 78
© Н.П. Краснова, И.В. Макаров,
А.С. Горшенин, Ю.И. Рахимова, 2019
© Самарский государственный
технический университет, 2019
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ....................................................................................................................... 4
Раздел 1. Солнечная энергетика ................................................................................. 5
1.1. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии.
Интенсивность солнечного излучения. .......................................................... 5
1.2. Фотоэлектрические свойства p-n-перехода ................................................... 7
1.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента .............................. 10
1.4. Конструкции и материалы солнечных элементов ...................................... 12
1.5. Системы солнечного теплоснабжения ......................................................... 15
1.6. Концентрирующие гелиоприемники ............................................................ 17
1.7. Солнечные абсорберы .................................................................................... 19
1.8. Солнечные коллекторы .................................................................................. 21
1.9. Расчет солнечных коллекторов ..................................................................... 24
Задачи и вопросы к разделу 1. ............................................................................. 25
Раздел 2. Гидроэнергетика ....................................................................................... 28
2.1. Энергия морских волн ................................................................................... 28
Устройства, отслеживающие профиль волны. ............................................. 35
Задачи и вопросы к подразделу 2.1. .................................................................... 38
2.2. Энергия приливов ........................................................................................... 38
Задачи и вопросы к подразделу 2.2. .................................................................... 42
2.3. Тепловая энергия океана. ОТЭС ................................................................... 42
Задачи и вопросы к подразделу 2.3 ..................................................................... 45
Заключение ................................................................................................................. 46
Список литературы.................................................................................................... 47
3
ВВЕДЕНИЕ
К нетрадиционным источникам энергии относятся: солнечная
энергия, энергия ветра, гидроэнергия, энергия океана, приливов, отливов, энергия биомассы, геотермальная энергия и т.д.
Нетрадиционные источники энергии – возобновляемы, не ограничены своими же запасами, не наносят вред окружающей среде.
Данное направление является перспективным для развития всей энергетики. Ввиду постоянного технического прогресса, улучшения материальной базы, технологий нетрадиционные источники энергии могут применяться повсеместно и всё с большей пользой. В связи с
борьбой за экологическую безопасность планеты, проблемами глобального потепления, истощением запасов традиционных источников
энергии получение энергии при помощи нетрадиционных источников
получило распространение во многих странах мира.
В учебно-методическом пособии приводятся теоретические основы,
контрольные вопросы и задачи по теме «Нетрадиционные источники
энергии», а именно по использованию солнечной энергии и гидроэнергии. Студент должен самостоятельно в соответствии с предложенным
ему заданием произвести необходимые расчеты для решения задач.
4
Раздел 1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ.
ИНТЕНСИВНОСТЬ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная
реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде
электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового
излучения – озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав
солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является
атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной
массе (АМ = 0) интенсивность излучения составляет
= 1360 Вт/м2.
Величина АМ = 1 соответствует прохождению солнечного излучения
через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле [1]
где х – атмосферное давление, Па;
х0 – нормальное атмосферное давление (1,013·105 Па);
– угол высоты Солнца над горизонтом.
Наиболее характерной в земных условиях является величина
АМ = 1,5 ( ≈ 42°). Она принята за стандартную при интегральной
поверхностной плотности солнечного излучения Ес = 835 Вт/ м2, что
необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований
различных солнечных элементов.
На рис. 1 приведено спектральное распределение потока фотонов
внеатмосферного (АМ = 0) и наземного стандартизованного
5
(АМ = 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.
Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны определяется
из соотношения
где – постоянная Планка, 6,626196(50)·10
– скорость света, 2,9979250(10)·10
8
м/ с;
– длина волны, мкм.
−34
Дж· с;
Рис. 1. Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения:
1 – внеатмосферное излучение (АМ = 0); 2 – наземное стандартизованное излучение
(АМ = 1,5); 3 – спектр излучения абсолютно черного тела при = 5800 К
На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.
Электрон- вольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы
переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов
1 В (1 эВ = 1,6 · 10
−19
Дж).
6
Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зо-
ны , мкм будет определяться как
Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, оно бесполезно для фотоэлектрического преобразования.
Запрещенная зона – характеризуется отсутствием энергетических
уровней, различна по ширине для разных материалов.
1.2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА P-N-ПЕРЕХОДА
Простейшая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис 2. На малой глубине от
поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с
тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины
нанесен сплошной металлический контакт.
Рис. 2. Конструкция солнечного элемента
Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть под-
соединено сопротивление нагрузки
крайних случая: н = 0 (режим короткого замыкания) и
[2]. Рассмотрим вначале два
н
= ∞ (режим
н
холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены
на рис. 3, а, б.
7
Рис. 3. Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении:
а – в режиме короткого замыкания; б – в режиме холостого хода;
в – включения на сопротивление нагрузки
В первом случае (рис. 3, а) зонная диаграмма освещенного p-nперехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения
смещения), поскольку в режиме короткого замыкания обеспечивается
нулевая разность потенциалов между n- и p-областями. Однако через
p-n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в
n-область.
Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, восполняя
их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область.
В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация поступающих в эту область электронов с фотогенерированными дырками.
При разомкнутой внешней цепи p-n-перехода (рис. 3, б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают
n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки
8
заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом раз-
ность потенциалов является напряжением холостого хода
лярность
соответствует прямому смещению p-n-перехода.
х.х.
Поток генерированных светом носителей образует фототок
Величина
равна числу фотогенерированных носителей, прошедших
ф
. По-
х.х
ф
через p-n-переход в единицу времени
где q – величина заряда электрона;
– мощность поглощенного монохроматического излучения.
и
Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощен-
ный фотон с энергией · ≥ создает одну электронно-дырочную
пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на
.
основе i и s. При нулевых внутренних омических потерях в сол-
нечном элементе режим короткого замыкания (рис. 3, а) эквивалентен
нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток коротко-
го замыкания
равен фототоку
к.з
В режиме холостого хода (рис. 3, б) фототок уравновешивается
«темновым» током
щим при напряжении смещения
– прямым током через p-n-переход, возникаю-
т
. Абсолютное значение «темново-
х.х
го» тока составит
откуда при Iф>>I0
где k – постоянная Больцмана, 1,38 · 10
– абсолютная температура, К;
– ток насыщения;
0
9
−23
Дж/К = 0,86 · 10−4 эВ/К;
– параметр вольт-амперной характеристики p-n-перехода, меняю-
щийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону:
где ∆ – приращение напряжения при приращении плотности тока
(или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.
«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в p-области). При актах
рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар ли-
бо выделяется посредством излучения фотонов с ≈ , либо рас-
ходуется на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рис. 3, б. Таким
образом, режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен
режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.
1.3. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
Найдем обобщенное выражение для вольт-амперной характеристики (ВАХ) освещенного p-n-перехода. Для этого предположим, что к
нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При
положительном напряжении смещения фототок
вычитается из «тем-
ф
нового» тока p-n-перехода, а при отрицательном – суммируется с ним.
Выражение для вольт-амперной характеристики записывается в виде
Рассмотрим подключение к p-n-переходу варьируемого
оод
сопротивления нагрузки (рис. 3, в). Направление тока в нагрузке
оход
всегда совпадает с направлением ф, а сам ток нагрузки
ааз
результирующему току через p-n-переход. Принимая направление то-
ка ф за положительное, для
можно записать
н
10
равен
н
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]