Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнические комплексы с фотоэлектрическими установками. Учебное пособие
.pdf
Рис. 1.12. Уиллоуби Смит
Современником этих ученых является русский физик А. Г. Столетов,
открывший первый закон фотоэффекта (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Александр Григорьевич Столетов
Фотовольтаический (фотогальванический) эффект взаимосвязан с внутренним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект заключается в преодолении
электронами валентной зоны диэлектрика или полупроводника запрещенной зоны за счет энергии излучения.
Рассмотрим подробно механизм возникновения разности потенциалов
на электродах фотоэлемента при его экспонировании (облучении). Конструкция фотоэлемента (рис. 1.14) включает полупроводниковую пластину
с р-областью и n-областью, два пленочных электрода.
11
а
p–n-переход
Рис. 1.14. Упрощенная схема конструкции фотоэлемента:
1 – сетчатый электрод; 2 – р-область полупроводниковой пластины;
3 – n-область полупроводниковой пластины; 4 – сплошной электрод
Один электрод сформирован на поверхности p-области, другой – на
поверхности n-области. Электрод, на который направлено излучение, выполняется оптически прозрачным, например сетчатым. Другой электрод
выполняется сплошным.
В приконтактной области p–n-перехода из-за избытка электронов
слева и дырок справа (рис. 1.15, а) происходит их взаимная диффузия.
б
Рис. 1.15. Контактная разность потенциалов
на границе раздела n- и p-областей (p–n-переход):
а – разделение зарядов в приконтактной области;
б – изгиб энергетических зон в приконтактной области
Дырки, покидая область р-типа, формируют в ней отрицательные
ионы. Электроны, покидая область n-типа, формируют в ней положитель-
12
ные ионы. После уравновешивания двух противоположных потоков элек-
hν
Е
З
Е
З
тронов и дырок образуется пространственный заряд в приконтактной области p–n-перехода (рис. 1.15, а), которому соответствует контактная разность потенциалов UК (около 1 В для кремния). Возникшая контактная
разность потенциалов препятствует переходу электронов из n-области
в p-область, дырок из p-области в n-область. Для перехода частицам необходимо преодолеть потенциальный барьер величиной e∙UК (рис. 1.15, б),
т. е. обладать достаточной энергией.
Такую энергию частицы могут получить от солнечного излучения.
Согласно корпускулярно-волновой теории излучение Солнца может быть
представлено как поток фотонов. Энергия фотона определяется его частотой и может быть рассчитана через постоянную Планка:
Е = h·ν,
где постоянная Планка h = 6,62⋅10
–34
Дж·с; ν – частота фотона (с–1).
Когда солнечное излучение попадает на поверхность фотоэлектрического элемента, фотоны поглощаются электронами р-слоя. Энергия электронов увеличивается, и они переходят на более высокие энергетические
уровни (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Переход электрона на более высокий энергетический уровень
при поглощении фотона
13
Такой процесс называется внутренним фотоэффектом, а получившие
энергию фотонов электроны – фотоэлектронами. Поле пространственного
заряда в приконтактной области перемещает фотоэлектроны через p–n-переход. Возникает напряжение прямого смещения E, противоположно
направленное контактной разности потенциалов UК. Естественно, что
напряжение прямого смещения не может превышать по модулю контактную разность потенциалов, его обусловившую.
Последовательное, параллельное соединение фотоэлементов в фотоэлектрические модули и батареи позволяет формировать заданные выходное напряжение и максимальный выходной ток фотоэлектрических
установок электротехнических комплексов.
14
1.
2
Коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлемента равен отношению мощности, выделяемой фотоэлементом на нагрузке, к падающему
световому потоку.
Значение КПД фотоэлемента определяется потерями энергии, а также
выбором режима работы фотоэлемента (сопротивление нагрузки, освещенность, температура).
Потери энергии при преобразовании энергии излучения в электрическую энергию, выделяющуюся на нагрузке фотоэлемента, могут быть
подразделены на световые и энергетические потери.
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ФОТОЭЛЕМЕНТЕ
Световые потери – это потери на отражение светового потока от поверхностного фотоэлемента, зависящие от длины волны падающего света.
Они определяются также фотоэлектрическим неактивным поглощением
света: экситонным поглощением, образованием фотонов, поглощением с возбуждением внутризонных переходов, поглощением доли светового потока,
прошедшего до нижнего металлического электрода.
Энергетические потери – потери количества возбужденных пар электронов и дырок или переносимой ими энергии. Эти потери обусловлены
рекомбинацией носителей, не прошедших до р–n-перехода, и зависят от
конструкции фотоэлемента, толщины наружного слоя полупроводника
и состояния его поверхности. Кроме того, если энергия квантов света
значительно превышает ширину запрещенной зоны, то избыточная часть
поглощенной энергии растрачивается на нагревание фотоэлемента.
15
В процентном соотношении потери энергии в фотоэлементе выглядят
следующим образом: отражение лучей от поверхности солнечной панели
(до 20 %), поглощение фотонов без образования электронно-дырочных пар
(до 20 %), рекомбинация электронно-дырочных пар до их разделения полем пространственного заряда p–n-перехода (до 25 %), тепловые потери
при нагреве фотоэлементов протекающим током (35 %).
Оптимальный КПД при использовании солнечного излучения можно
получить, если применять полупроводник с шириной запрещенной зоны
1,5 эВ. При этом можно достичь теоретического КПД в 25 %. Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента составляет 22–23 %.
При нормальном падении солнечных лучей КПД серийно выпускаемых солнечных панелей составляет около 16 %.
За пределами земной атмосферы плотность потока солнечного излучения составляет 1353 Вт/м2. На поверхности Земли она меньше из-за поглощения света в атмосфере, зависящего от высоты Солнца и состояния
атмосферы. Приняв плотность потока на поверхности Земли 850 Вт/м2
и КПД 16 %, получим, что фотоэлектрический модуль площадью 1 м2 вырабатывает электрическую мощность 136 Вт.
16
1.
3
В учебном пособии используются следующие термины и определения.
Активный потребитель – потребитель, имеющий возможность оптимизировать свой график нагрузки как с целью минимизации платежей за
электроэнергию, так и с целью получения дохода от продажи на энергорынке энергии и мощности своей генерации и (или) мощности своей
управляемой нагрузки.
Альтернативный источник энергии – 1) источник энергии, который
может заменить нефть, газ, уголь и другие традиционные энергетические
ресурсы; 2) способ, устройство или сооружение, которые позволяют получать электрическую энергию и заменяют собой традиционные источники
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе, угле.
Вольт-амперная характеристика солнечного элемента, модуля, батареи – зависимость выходного напряжения фотоэлемента, модуля, солнечной батареи от тока питаемой нагрузки при неизменных плотности
потока излучения и температуре.
Максимальная мощность фотоэлемента, модуля, батареи, станции –
мощность фотоэлемента, модуля, батареи, станции, соответствующая
точке максимума на вольт-амперной характеристике.
Объект распределенной генерации – электростанция, состоящая из
одной или нескольких генерирующих установок, подключаемая к распределительным сетям или сетям внутреннего электроснабжения потребителей электроэнергии на напряжении до 110 кВ включительно, максимально
приближенная к узлу(-ам) электропотребления, работающая параллельно
17
с энергосистемой или в изолированном и островном режимах, имеющая
в точке общего присоединения суммарную установленную мощность, не
превышающую 25 МВт включительно, использующая для производства
всех видов энергии любые первичные источники энергии, включая возобновляемые.
Пиковая мощность фотоэлемента, модуля, батареи, станции – максимальная выходная мощность фотоэлемента, модуля, батареи, станции при
стандартных условиях испытаний.
Режим изолированной работы – устойчивый продолжительный режим работы части энергосистемы, характеризуемый отсутствием электрических связей с остальными её частями.
Солнечная фотоэлектрическая батарея – соединенные между собой
электрически и объединенные конструктивно фотоэлектрические модули.
Стандартные условия испытаний фотоэлемента, модуля, батареи –
условия, соответствующие плотности потока излучения 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С.
Температурный коэффициент напряжения – величина, равная относительному изменению выходного напряжения фотоэлемента в стандартных условиях при изменении его температуры на 1 °С.
Температурный коэффициент тока – величина, равная относительному изменению выходного тока фотоэлемента в стандартных условиях
при изменении его температуры на 1 °С.
Фотоэлектрический модуль – устройство с конструктивно и электрически соединенными фотоэлементами, которое имеет выходные клеммы
для подключения внешней нагрузки.
Фотоэлектрический солнечный элемент (или фотоэлемент) – солнеч-
ный элемент на основе фотоэффекта.
Энергетика – область народного хозяйства, науки и техники, охватывающая энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование,
аккумулирование, распределение и потребление различных видов энергии.
18
1.
4
Любая фотоэлектрическая установка мощностью более одного киловатта имеет значительные габариты, а значит, размещение её в здании затруднительно. Также возникает вопрос обеспечения электробезопасности.
Поэтому мощность фотоэлектрической установки, используемой в лабораторном стенде, выбрана менее 100 Вт. Такая малая величина мощности
позволяет реализовать фотоэлектрическую установку в виде стенда, состоящего из стола с силовым и измерительным оборудованием, стойки
с фотоэлектрическими модулями и источником излучения.
Стойка с фотоэлектрическими модулями позволяет менять и фикси-
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
ровать их угол наклона относительно вертикальной плоскости. Также угол
падения излучения на поверхность солнечных фотоэлементов можно
изменять за счет перемещения источника излучения в горизонтальной
плоскости, что обеспечивается подвижной штангой, на которой он закреплен.
В качестве источника излучения используется галогенная лампа.
Фотоэлектрические модули лабораторного стенда имеют каркасную
конструкцию. Каркас модуля выполнен из алюминия, содержит ударопрочное стекло, имеющее широкий спектр пропускания, от ультрафиолетового диапазона до инфракрасного. На стекле закреплены кремниевые
фотоэлементы. Фотоэлементы заламинированы полимерной пленкой. На теневой стороне модуля расположен блок с выходными клеммами.
19
Фотоэлементы модулей фотоэлектрической установки выполнены
I
КЗ
I, А
U
ХХ
из монокристаллического кремния. Фотоприемная сторона фотоэлементов имеет электронную проводимость. Толщина фотоэлементов около
200 мкм.
Значение номинального напряжения для фотоэлектрического модуля,
состоящего из 36 элементов, составляет около 16–17 В (0,45–0,55 В на
фотоэлемент) при нормальных условиях. Такая величина превышает характерное для аккумуляторов напряжение 14,4 В. В стенде используется
свинцово-кислотная аккумуляторная батарея AGM c емкостью 7,2 А∙ч,
максимальным током заряда около 2 А, номинальным напряжением 12 В,
напряжением заряда 14,4–15,0 В, напряжением постоянного подзаряда
13,5–13,8 В и внутренним сопротивлением 28 мОм. Запас по выходному
напряжению компенсирует потери в контроллере заряда-разряда аккумуляторной батареи, а также снижение напряжения при нагреве фотоэлектрического модуля. Снижение напряжения при нагреве фотоэлектрического модуля обуславливает смещение вольт-амперной характеристики
(ВАХ) фотоэлемента (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Смещение ВАХ фотоэлемента
при изменении температуры:
1 – при стандартных условиях;
2 – при повышенной температуре
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]