Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии эффективного преобразования энергии. Учебное пособие
.pdf
и передать им свою энергию. Так как в полупроводниках плотность основных носителей заряда (менее
26 –3
)10 м примерно в
4
раз меньше,
10
чем плотность валентных электронов, то вероятность того, что фотон
столкнется со свободным носителем заряда, пренебрежимо мала. Таким
образом, фотон в основном взаимодействует с валентным электроном.
Валентный электрон после столкновения с фотоном и поглощением его
энергии h становится свободным и переходит в зону проводимости,
оставляя при этом вместо себя
дырку. Образование пары свободный
электрон – дырка происходит в различных местах p–n-контакта
(рис. 4.10).
Если он происходит в области 1 между сечениями А и Б, то освобо-
U
дившийся электрон разгоняется потенциалом
к материалу n-типа,
к
а дырка – к материалу p-типа. Таким образом, происходит передача положительного заряда от материала n-типа к материалу p-типа.
Если пара электрон – дырка образуется в области 2 материала n-типа, то неосновной носитель заряда (дырка) движется по направлению
к контакту, передавая положительный заряд от n- к p-
материалу. Движение основных носителей заряда несущественно, так как они не обладают энергией, необходимой для преодоления потенциального барьера.
Если пара электрон – дырка образуется в области 3 материала p-типа, то электрон движется к контакту и переходит на сторону материала
n-типа и, следовательно, происходит передача положительного заряда
от материала n-типа
к материалу p-типа.
В областях 4 и 5 возникшие пары движутся в сторону от контакта
и рекомбинируют с основными носителями в данном материале, при
этом движение заряда через контакт отсутствует: эти зоны неактивны
и в создании фототока не участвуют.
Близость неосновных носителей тока к контакту измеряется длиной
диффузии l, т. е. средним
результирующим расстоянием, которое про-
ходит неосновной носитель заряда до рекомбинации с основным.
В зависимости от плотности зарядов и способа образования кри-
84
сталла
10 10 м. l
4.2.3. ТЕХНОЛОГИЯ КАСКАДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Идея каскадных фотоэлементов обсуждалась с начала 1960-х годов
и рассматривалась как очевидная, но далекая перспектива для повышения КПД [24]. В конце 1980-х годов ситуация стала меняться. В эти годы
51
многие исследовательские группы сконцентрировали свои усилия на
разработке различных типов двухкаскадных солнечных элементов.
На первом этапе лучшие результаты по КПД были получены в механически стыкованных фотоэлементах, хотя все понимали, что действительно перспективными являются фотоэлементы с монолитной структурой. Такие структуры ранее других разработали сотрудники NREL
(США).
Последовательное соединение фотоэлементов
осуществлялось посредством туннельного p−n-перехода, специально формируемого
между каскадами. В дальнейшем к процессу фотоэлектрического преобразования был подключен и третий каскад с p−n-переходом в германиевой подложке (рис. 4.11) [24].
а б
Рис. 4.11. Поперечные разрезы солнечных элементов с тремя p–n-переходами:
a – гетероструктура (Al)GaInP/GaAs/Ge, в которой 2-й элемент, а также 1-й и 2-й тун-
нельные переходы выполнены из GaAs;
в которой 1-й туннельный переход выполнен из InGaAs, в то время как 2-й элемент
и 2-й туннельный переход выполнены из (Al)GaInP
б – гетероструктура (Al)GaInP/(In)GaAs/Ge,
52
В настоящее время трехкаскадные фотоэлементы уже находятся
в стадии практического использования при оснащении космических аппаратов.
Структура трехкаскадных гетерофотоэлементов сложна, и она еще
более усложнится при переходе, например, к четырех- и пятикаскадным
фотоэлементам. Однако эпитаксиальное выращивание таких структур –
это одностадийный, полностью автоматический процесс, успешность
результатов которого целиком зависит от степени проработанности
технологической базы. Поскольку все фотоактивные области выполняются, как правило, из «прямозонных» материалов, общая толщина подлежащей выращиванию эпитаксиальной структуры составляет всего несколько микрон.
Одной из определяющих в стоимости эпитаксиальной структуры является стоимость подложки. Можно использовать германиевую подложку, что улучшит эксплуатационные параметры космических солнечных батарей.
Фактически это привело к возврату технологии применения германия, который ранее уже был первым классическим материалом в технике полупроводников, но его вытеснил кремний.
Однако сегодня, оглядываясь на успехи, достигнутые в технологиях
наногетероструктур, можно предположить, что германий, как подложечный материал, будет, возможно, вновь вытеснен кремнием как еще
более дешевым и
технологичным. Работы в этом направлении в настоя-
щее время ведутся.
Таким образом, результатом использования современных технологий для производства солнечных фотоэлементов может стать не только
радикальное увеличение КПД (в многокаскадных структурах), но и радикальное снижение стоимости гетероструктурных фотоэлементов [24].
4.2.4. ВЫЧИСЛЕНИЕ КПД ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
По своим спектральным характеристикам солнечное излучение мо-
жет рассматриваться как неполяризованное равномерное излучение абсолютно черного тела с температурой
5 800 К.T
c
Плотность такого излучения у поверхности Солнца определяется за-
коном Стефана–Больцмана:
4
где
σ – постоянная Стефана–Больцмана,
σ ,ET (4.4)
с.и c
824
53
σ 5,67032 10 В . т/(мК)
На расстоянии
R
⎞
L
от Солнца плотность солнечного излучения, па-
c
дающего на поверхность перпендикулярную направлению его распространения, определяется выражением
2
⎛⎞
R
4
σ ,
ET
cc
c
⎜⎟
L
c
⎝⎠
(4.5)
где
– радиус Солнца.
c
Для околоземного космоса
1360 Вт/мE .
c
2
При рассмотрении солнечного излучения как излучения абсолютно
черного тела степень его «неупорядоченности» (некогерентности)
можно характеризовать энтропией, выражение для плотности потока
которой в соответствии с формулой М. Планка можно представить
в виде
2
⎛
σ
c
R
3
c
⎜⎟
L
c
⎝⎠
(4.6)
.
4
ST
3
Из термодинамики известно, что любая энергия, характеризуемая
энтропией, не может быть полностью превращена в другие виды энергии, энтропия которых равна нулю.
Возможность превращения любой энергии с отличной от нуля энтропией в полезную энергию (работу) при заданных параметрах окру-
()T
жающей среды
характеризуется эксергией.
0
Эксергия теплового излучения определяет максимальное количество полезной энергии (работы), которое может быть получено при тем-
T
пературе окружающей среды, равной
, за счет использования в обра-
0
тимом процессе полной энергии такого излучения.
Выражение для плотности потока эксергии солнечного излучения
в космосе может быть представлено в виде
,eETS
e
где
– плотность потока эксергии солнечного излучения.
c
cc0
54
(4.7)
Подставив в (4.7) (4.5) и (4.6), получим после преобразований:
⎠
⎠
E
22
⎛⎞
RR
43
σσ
eT TT
cc 0c
cc
⎟
⎜
LL
cc
⎝
⎠
4
⎛⎞
43
σ
TTT
c0c
⎜
3
⎝
4
3
⎛⎞
R
⎜⎟
⎟
L
⎠
⎝
⎛⎞
⎜
⎟
⎝
2
c
. (4.8)
c
Предельный теоретический коэффициент полезного использования
солнечной энергии определяется отношением плотностей потоков
эксергии и энергии излучения:
eT
η 1
с.пред
c0
cc
4
. (4.9)
3
T
Полагая равновесную температуру космического пространства
3 К,T
0
η
с.пред
можно сделать вывод, что в космосе значение коэффициента
практически равно единице.
Нужно иметь в виду, что отвод тепла от любого преобразователя
солнечной энергии, в том числе и идеального, практически не может
осуществляться при равновесной температуре космического пространства. Минимально возможной температурой в этом случае является равновесная температура теплоотводящих элементов преобразователя при
его нерабочем состоянии
T
, которая всегда будет выше, чем
отв
T
0
за счет того, что на эти элементы падает излучение, идущее от Солнца,
от Земли, от различных частей преобразователей и т. д.
Таким образом, предельный теоретический КПД системы будет
определяться выражением
4
η 1
пред
0
. (4.10)
3TT
c
В диапазоне равновесных температур теплоотводящих устройств
300…900 К
η
изменяется от 0,93 до 0,8, т. е. характеризуется весьма
пред
высокими значениями.
,
55
Значение
по формуле (4.10) относится лишь к системам, в ко-
пред
торых осуществляется прямое преобразование энергии солнечного излучения в требуемый вид полезной энергии.
Если же солнечная энергия используется в тепловой форме, т. е. для
получения высокотемпературного тепла, которое затем уже преобразуется в полезную энергию, то предельные значения КПД таких систем
преобразования
определяются КПД обратимого цикла Карно
η
К
и огра-
ничены уровнем реализуемой в нем максимальной температуры теп-
T
лоподвода
, а следовательно, всегда будут ниже.
т
В настоящее время промышленные солнечные преобразователи
имеют КПД в диапазоне 10…25 % в зависимости от технологии изготовления солнечных панелей. Если говорить про перспективные технологии, то в 2022 году был установлен рекордный КПД 39,5 % [25].
Он принадлежит исследователям Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (NREL). Получить такой КПД удалось при помощи каскадного фотоэлемента, который основан на архитектуре инвертированных метаморфических многопереходных элементов и состоит из трех переходов.
4.3. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ ВЕТРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
4.3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Источником энергии ветра является солнечная энергия. Небольшая
часть всего солнечного излучения, достигающего земли, вызывает движение воздуха в атмосфере, которое мы воспринимаем на земной поверхности как ветер.
Энергия ветра уже тысячелетиями используется как на суше, так и
на море. Первые сведения о древних египетских парусных судах уходят
к третьему тысячелетию
до н. э., расцвет парусного мореходства приходится на середину XVII века. Однако во второй половине XIX века
в практику мореплавания вошли суда с паровыми двигателями, и парусный флот стал уменьшаться и к тридцатым годам ХХ века на плаву осталось лишь несколько крупных парусников. На суше ветряные двигатели
впервые появились
в Персии, где археологи обнаружили признаки того,
что примерно в V веке за счет энергии ветра приводились в действие
водяные насосы для полива земли. В этих первых персидских ветровых
56
двигателях использовались полотняные паруса на вертикальной оси,
причем вертикально расположенные полости с одной стороны колеса
улавливали ветер, а на противоположной стороне разрезали воздушный
поток своей плоскостью. При вертикальной установке оси нетрудно изменять положения парусов или лопаток по отношению к ветру.
В Европе к началу XIV столетия появились ветряные мельницы
для размола
зерна, у которых ветровые колеса устанавливались на горизонтальной оси, поддерживающейся уже не одним столбом, а высокой
башней.
В Дании в период с 1890 по 1908 годы был разработан быстроходный ветроагрегат с упрощенной системой регулирования частоты вращения и впервые началось производство с его помощью электрической
энергии.
Ветроколесо диаметром 22,85 м имело
четыре лопасти и было установлено на стальной мачте высотой 24,38 м. С помощью конической передачи крутящий момент передавался на вертикальный вал, соединенный с системой конических передач, расположенных в основании
мачты; этот приводной механизм был соединен с двумя генераторами
постоянного тока мощностью по 9 кВт каждый. К 1910 году несколько
сотен ветроагрегатов
мощностью до 25 кВт обеспечивали электроэнер-
гией сельские населенные пункты.
В США к концу двадцатых годов ХХ века в штате Миннесота была
образована крупнейшая фирма по производству ветроагрегатов. Фирма
была основана Джэкобсом, который ввел в конструкции своих ветроагрегатов два важных усовершенствования:
трехлопастной винт, который позволил практически устранить
вибрации двухлопастных винтов вследствие колебания суммарных усилий, воздействующих на лопасти, при их перемещении из горизонтального в вертикальное положение;
центробежный шариковый регулятор угла поворота лопастей,
обеспечивающий переход их во вторичное положение при скорости
ветра выше 8,05 м/с и поддерживающий постоянную скорость вращения. Ветроколесо диаметром около 4,27 м было соединено с генератором без зубчатой передачи.
В СССР в 1931 году был построен ветроагрегат для получения электроэнергии, отдаваемой непосредственно в сеть
переменного тока Ялты
на побережье Черного моря. Ветроагрегат использовался как дополнительный источник энергии и был включен в сеть тепловой электростанции Севастополя. Трехлопастное колесо диаметром 30,48 м с помощью
57
зубчатой передачи приводило во вращение ротор асинхронного генератора мощностью 100 кВт. В течение следующих двух десятилетий развитие ветроэнергетики в СССР ограничивалось созданием агрегатов
мощностью до 3 кВт.
В Великобритании вскоре после войны были созданы две установки
мощностью по 100 кВт. Первая имела трехлопастное колесо диаметром
15,24 м, которое было установлено на мачте
высотой 23,77 м и приводило во вращение асинхронный генератор переменного тока мощностью 100 кВт (как в СССР в 1931 году). Вторая установка имела пневматическую передачу, предложенную французским инженером Андро.
Две полые лопасти диаметром 24,38 м имели на концах отверстия и при
вращении действовали как центробежный насос. Создаваемый поток
воздуха поступал в турбину
у основания мачты; турбина была непосредственно связана с синхронным генератором. Смонтированная в Алжире
в 1957 году дала мощность в 100 кВт. В 1960 году Ассоциация электротехнических исследований разработала графический метод определения параметров ветровых электрогенераторов.
За последние годы, как это было указано выше в разделе 4.1, уста-
новленная мощность ветряных электростанций наряду
с солнечными
электростанциями постоянно растет. Например, в 2021 году совокупная
мощность морских ветроэнергетических установок выросла более чем
в три раза (+21 ГВт) и достигла почти 56 ГВт, причем во многом благодаря Китаю (+17 ГВт) [18].
4.3.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЙ
И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Исследования в области совершенствования преобразователей энергии ветра в электрическую энергию ведутся постоянно. Создаются модели и конструируются новые типы ветрогенераторов.
Для того чтобы получить электрическую энергию, необходимо
сначала кинетическую энергию ветра трансформировать в механическую энергию ротора ветрогенератора. Ветрогенератор состоит из нескольких узлов, каждый из них выполняет важную функцию
: прием,
передачу и преобразование энергии потока ветра в электрическую
энергию.
Ветрогенераторы бывают вертикальными и горизонтальными в за-
висимости от расположения оси вращения ротора.
58
Горизонтальные ветрогенераторы напоминают пропеллер самолета.
Эти преобразователи наиболее эффективны по сравнению с вертикальными. Конструкции всех горизонтальных ветряков похожи и представляют собой высокую опору с расположенным на вершине ветрогенератором, ось которого перпендикулярна опоре. Горизонтальные ветрогенераторы необходимо настраивать на направление ветра. Это происходит автоматически за счет того, что
платформа с ветрогенератором по-
движна и может вращаться вокруг вертикальной оси.
Особенность ветряков с горизонтальными ветрогенераторами
в том, что необходимо выполнять защиту от сильного ветра. В противном случае ветрогенератор может повредиться. На небольших ветрогенераторах предусматривается электрический тормоз, на больших –
используется механическая защита методом поворота хвоста ветроустановки, при
котором винт ветрогенератора отворачивается в сто-
рону от ветра.
Среди вертикальных ветрогенераторов больше разновидностей
в конструкциях. Сами по себе вертикальные генераторы менее эффективны за счет того, что поток ветра, действуя на обратные стороны лопастей, оказывает останавливающее воздействие. Но в отличие от горизонтальных для вертикальных ветрогенераторов не нужно предусматри
вать механическую настройку на ветер. Они более приспособлены для
обслуживания и ремонта, так как не нужно подниматься на высокую
опору. Среди типов вертикальных ветрогенераторов можно отметить
следующие:
ветрогенераторы с ротором Дарье;
ветрогенераторы с ротором Савониуса;
ветрогенераторы с геликоидным ротором;
ветрогенераторы с многолопастным ротором.
Принцип действия ветрогенератора с ротором Дарье основан на разности аэродинамических показаний при вращении лопастей вокруг вертикальной оси. В процессе вращения кинетическая энергия преобразуется в механическую работу. После образования циркуляции потоков
воздуха ротор начинает бесперебойно вращаться. На каждое крыло ротора по отдельности действует сила
подъема относительно воздушного
потока. Вихреобразование имеет цикличность, обусловленную движением лопастей. Начинает работать такой ветрогенератор после ручного
запуска. Недостатками таких ветрогенераторов являются небольшая
мощность, сильные вибрация и шум от работы.
-
59
Ветрогенератор с ротором Савониуса состоит из разделенного наполовину цилиндра. Половины цилиндра смещены относительно друг
друга для получения лопастей и пространства между ними. Поток воздуха воздействует на одну лопасть и не просто уходит после этого в сторону, а перенаправляется на вторую лопасть. Такое решение позволяет
усилить эффект ветра. Эти
ветрогенераторы могут работать даже при
слабом ветре.
У ветрогенератора с геликоидным ротором лопасти выполнены
в форме геликоидной кривой, что позволяет создать более равномерное
вращение. Изгиб лопастей ротора по диагонали способствует быстрому
набору скорости ветрогенератора. Этот тип ветрогенератора с вертикальным ротором близок по эффективности к горизонтальным ветрогенераторам. Но есть
и недостатки: повышенный шум и генерация корот-
коволновых звуковых волн.
В основе ветрогенератора с многолопастным ротором лежит вертикально-осевая конструкция с внешним кольцом неподвижных лопастей,
что способствует увеличению полезной площади захвата воздушного
потока, поток сжимается и ускоряется. Такой ветрогенератор может работать при слабом ветре.
4.3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
Кинетическая энергия единицы массы воздушного потока равна
1
2
.V
(4.11)
2
При m = 1 массовый расход потока через данное поперечное сечение
площадью А составляет
.AV (4.12)
Теоретическая располагаемая мощность воздушного потока есть
произведение этих двух величин:
1
3
,
ρ
PAV (4.13)
2
где V – скорость движения воздуха; – плотность воздуха.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]