8. Фотоэлектрическая генерация. Фотоэлементы и их характеристики. Теоретический кпд кремниевой батареи. Способы повышения эффективности фэ.
Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. Устройства на полупроводниковых переходах обычно называются фотоэлементами или солнечными элементами.
Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован р-п-переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Материалы фотоэлементов: Монокристаллический кремний, Аморфный кремний, Арсенид галлия, Теллурид кадмия (один из наиболее перспективных).
Параметры и характеристики фотоэлементов:
вольт-амперная характеристика
световые характеристики
частотная и спектральная чувствительность
КПД
Теоретический КПД фотоэлементов 25%.
Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента 22-23%.
Реальные кремниевые солнечные батареи имеют КПД около 13%.
Энергия теряется на: отражение от поверхности (20%)
фотоэлектрически неактивное поглощение (10-20%)
рекомбинацию созданных светом пар носителей (до
25%) и т.д
Способы повышения эффективности ФЭ.
Переход на другие материалы:
вместо структур на основе монокристаллического кремния - аморфный кремний или арсенид галлия GaAs.
9. Термоэлектрические преобразователи, принцип действия, эффективность, достоинства и недостатки
Термоэлектрические преобразователи
В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами, то между ними возникает термо-ЭДС.
В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического сопротивления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому действительный КПД установки равен:
При использовании металлических термоэлектродов КПД термоэлектрических преобразователей очень мал - не превышает сотых долей процента. Значительный эффект дает применение полупроводников -КПД возрастает до величины порядка 10%.
Такого рода генераторы применяются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев и т.п.
Главные преимущества термопар: - широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков. - спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом. - простота изготовления, надежность и прочность конструкции. Недостатки термопар: - необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС. - возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов. - материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. - на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей. - зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала. - когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.