![]() Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву ![]() Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Лекция №2. Использование солнца как источника электрической энергииСтр 1 из 10Следующая ⇒
Лекция №3. Использование солнца как источника электрической энергии (продолжение) Содержание лекции: устройство, принцип работы и характеристика фотоэлемента, термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую, солнечные электростанции. Цель лекции: изучить устройства и энергетические возможности фотоэлементов, солнечных электростанции на основе термодинамического преобразования Устройство фотоэлемента Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из алюминиевой подложки, двух слоев полупроводников с разной проводимостью, защитного антибликового стекла и отрицательных электродов (рисунок 2). К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость). Контакт p - или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области p-n перехода
Рисунок 2 - Строение фотоэлемента
возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах. При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве.
Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту потенциального барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера – при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности свет, достигая насыщения при больших освещённостях. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.
Башенные СЭС Расположенная в Барстоу (Америка) башенная СЭС Solar-1 имеет мощность 10 МВт, площадь зеркал -73,2 тыс.м2, 1818 гелиостатов, высота парового котла -14 м, диаметр -7,2 м, температура пара 560-1482 0С (рисунок 8). Рисунок 8 - Башенная СЭС Solar-1 Расположенная во Франции башенная СЭС THEMIS имеет мощность 2,5 МВт, площадь зеркал -108 тыс. м2, 201 гелиостатов, высота башни - 80 м,, температура теплопринимающей поверхности 505 0С, КПД 16% (рисунок 9). Расположенная на острове Сицилия башенная СЭС Eurelios имеет мощность 1 МВт, площадь зеркал -35 тыс. м2, 182 гелиостатов, высота башни - 35 м,, температура теплопринимающей поверхности 512 0С, КПД 16% (рисунок 10). В Крыму действует башенная СЭС: мощность 5 МВт, высота -70 м, 1600 гелиостатов, температура пара -250 0С, давление пара - 4МПа
Рисунок 9 - Башенная СЭС THEMIS Рисунок 10 - Башенная СЭС Eurelios
Модульные СЭС В Израиле введена в эксплуатацию модульная СЭС, которая состоит из 560 модулей, каждый модуль имеет длину 5,2 м, апертуру 2,57 м2 (рисунок 11)
Рисунок 11 - Модульная СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами Модульные СЭС параболическими концентраторами построены в США, Франции, Италии, Японии, Австрии, мощность которых находится в пределах от несколько МВТ до 13,8МВт (рисунок 12).
Рисунок 12 - Модульная СЭС с параболическими концентраторами Лекция №2. Использование солнца как источника электрической энергии Содержание лекции: общая характеристика с олнечного излучения, классификация солнечных энергетических установок, солнечные термоэлектрические и фотоэлектрические преобразователи Цель лекции: изучить энергетические возможности солнечной энергии испособы и устройства для ее преобразования в электрическую энергию В 1996 году на Всемирной встрече по проблемам солнечной энергии (г.Хараре, Зимбабве) приняты «Всемирная солнечная программа» и «Харарская Декларация по солнечной энергетике и устойчивому развитию», определившие, что солнечная энергия должна играть заметную роль в обеспечении энергией, сохранении использования природных ресурсов и уменьшении деградации окружающей среды. Источник лучистой энергии - Солнце - ближайшая к Земле звезда, раскалённый плазменный шар радиусом 696 тыс.км. Солнце вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Земля. Светимость Солнца 3,86х10²³ кВт, эффективная температура поверхности около 6000 К, химический состав: водород - около 90%, гелий – 10%, другие элементы – менее 0,1%. Источник энергии Солнца – ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура около 15 млн К. Энергия из недр Солнца к его поверхности переносится излучением, а затем во внешнем слое, толщиной около 0,2 радиуса шара – конвекцией. Конвективное движение плазмы определяет наличие фотосферной грануляции - солнечных пятен. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически – через 11 лет меняется. На Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии 149 млн км поступает поток солнечной лучистой энергии мощностью около 2 1017Вт. Солнечный спектр можно разделить на три основные группы: - ультрафиолетовые излучение (длины волны до 0,4 мкм) – 9% интенсивности;
- видимое излучение (длины волны от 0,4 мкм до 0,7 мкм) – 45% интенсивности; - инфракрасные (тепловое) излучение (длины волны более 0,7 мкм) – 46 % интенсивности; Для количественной оценки излучения применяется величина, называемая интенсивностью. Интенсивность Ес[Вт/м2] – эта мощность лучистой энергии, приходящей за пределами земной атмосферы в секунду на квадратный метр площади, перпендикулярной солнечным лучам. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения излучения парами воды – облаками (инфракрасное излучение), озоном (ультрафиолетовое излучение), частицами пыли, золы, дыма и аэрозолей, за счет рассеяния светового потока молекулами газов. Все эти поглощения света образуют понятие – оптическая плотность атмосферы или атмосферная масса (АМ). При нулевой атмосферной массе АМ0 на верхней границе атмосферы и в космическом пространстве интенсивность излучения равна Ес = 1360 Вт\м². Величина атмосферной массы АМ1 соответствует оптической плотности чистого безоблачного неба над уровнем моря при расположении Солнца в зените. Стандартной величиной атмосферной массы является АМ1,5 при θ = 41° 49′, при которой плотность солнечного излучения Ес = 835 Вт\ м². В диапазоне оптических частот существенно проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и двойственность природы света – волновая и корпускулярная. Квант электромагнитного излучения – ФОТОН - элементарная частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света. Она не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента. Энергия фотонов hν=[ эВ], в излучении с длиной волны λ определяется соотношением
hν = hc\ λ = 1,24\ λ (1)
где h=6,63∙10-34 Дж∙ с – постоянная Планка; с= 2,99∙108 м/с - скорость света; λ – длина волны, мкм. Электрон-вольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1В. 1 эВ =1,6∙10-19 Дж. Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Еg: λгр= 1,24/ Еg. Более длинноволновое излучение не поглщается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования. Запрещенная зона - зона, характеризующаяся отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.
Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: – широты и долготы местности; – географических и климатических особенностей; – состояния атмосферы; – высоты Солнца над горизонтом; – размещение приемника солнечного излучения на Земле; – размещение приемника солнечного излучения по отношению к Солнцу и т. д. Суммарное солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно состоит из трех составляющих: 1. Прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей. 2. Диффузионное или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение. 3. Отраженная земной поверхностью доля солнечного излучения. Классификация солнечных энергетических установок. Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам: – по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии – тепло или электричество; – по концентрированию энергии – с концентраторами и без концентраторов; – по технической сложности – простые (нагрев воды, сушилки, на-гревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные. Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида. Первый базируется в основном на системе преобразования сол-нечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения. Второй подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок. В настоящее время в мире наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок: – солнечные коллекторы; – солнечные фотоэлектрические преобразователи. Термоэлектрическиепреобразователи В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека, открытый в 1821 году. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами (рисунок 1), то между ними воз-никает термо-ЭДС:
Е =α(Т 1 - Т 2), (2)
где Т 1– абсолютная температура горячего спая; Т 2– абсолютная температура холодного спая; α– коэффициент пропорциональности.
а)
б)
Рисунок 1 – Конструкция термоэлектрического преобразователи
Q2= α T 2 I. Разность подведенной и отведенной теплоты составляет секундную работу тока L, Вт:
L = α(T 1 – T2) I. (3)
Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:
Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразователя совпадает с термическим КПД цикла Карно и полностью определяется абсолютными температурами холодного и горячего спаев. В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического со-противления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейст-вительный 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 %.. В современных термоэлектрических генераторах полупроводниковые термоэлементы, в которых горячие спаи нагреваются солнечными лучами, соединены последовательно. Такого рода генераторы применяются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев, космических аппаратов и т. п. Термогенераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.
Фотоэлектрическиепреобразователи Фотоны взаимодействуют электромагнитным образом со всеми элементарными частицами, создают процессы – излучение, поглощение, упругое рассеяние энергии. Под действием потока фотонов в некоторых полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, при котором происходит переход носителей зарядов из связанного состояния в свободное и скопление их на p – n переходах, создающее разность потенциалов на поверхностях элемента. Вентильный фотоэффект или фотоэлектрический эффект – это возникновение ЭДС в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников или полупроводника и металла при поглощении квантов излучения оптического диапазона. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует эн ергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 10-18 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД около 44,7 %.
|
|||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-29; просмотров: 886; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.117.105.190 (0.068 с.) |