Пряме перетворення сонячної енергії в електричну. Дослідження фотоелектричного перетворювача енергії - сонячної батареї

Мета роботи: вивчити принцип перетворення сонячної енергії в електричну. Досліджувати основні технічні характеристики фото-електричної батареї.

 

Загальні відомості

 

Сонце є основним джерелом енергії, що забезпечує існування життя на Землі. Внаслідок реакцій ядерного синтезу в активнім ядрі Сонця досягаються температури до 10⁷ К. При цьому поверхня Сонця має температуру близько 6000 К. Електромагнітним випромінюванням сонячна енергія передається у космічному просторі й досягає поверхні Землі. Уся поверхня Землі одержує від Сонця потужність близько 1,2×10¹⁷ Вт. Це еквівалентно тому, що менш однієї години одержання цієї енергії досить, щоб задовольнити енергетичні потреби всього населення Земної кулі протягом року. Максимальна щільність потоку сонячного випромінювання, що приходить на Землю, становить приблизно, 1 кВт/м^2.. Для населених районів залежно від місця, часу доби й погоди потоки сонячної енергії міняються від 3 до 30 МДж/м² у день.

У середньому для створення комфортних умов життя потрібно приблизно 2 кВт енергетичної потужності на людину або приблизно 170 МДж енергії в день. Якщо прийняти ефективність перетворення сонячної енергії в зручну для споживання форму 10 % і потік сонячної енергії 17 МДж/м² у день, то необхідну для однієї людини енергію можна одержати з 100 м ² площі земної поверхні. При середній щільності населення в містах 500 людей на 1 км ² на одну людину доводиться 2000 м ² земної поверхні. Таким чином, досить усього 5 % цієї площі, щоб за рахунок сонячної енергії, що знімається з неї, задовольнити енергетичні потреби людини.

Для характеристики сонячного випромінювання використовуються наступні основні величини.

Потік випромінювання -величина, рівна енергії, стерпної електромагнітними хвилями за одну секунду через довільну поверхню. Одиниця виміру потоку випромінювання - Дж/с=Вт.

Щільність потоку випромінювання (енергетична освітленість) -величина, рівна відношенню потоку випромінювання до площі поверхні, що рівномірно опромінюється їм. Одиниця виміру щільності потоку випромінювання - Вт/м².

Щільність потоку випромінювання від Сонця, що падає на перпендикулярну йому поверхню поза земною атмосферою, називається сонячною константою S, яка рівна 1367 Вт/м².

Світловий потік. Світловим потоком називається потік випромінювання, оцінюваний по його впливу на людське око. Людське око неоднаково чутливе до потоків світла з різними довжинами хвиль. Звичайно при денному світлі очі найбільш чутливі до світла з довжиною хвилі 555 нм. Тому однакові по потужності потоки випромінювання, але різних довжин хвиль викликають різні світлові відчуття в людини. Одиницею виміру світлового потоку з погляду сприйняття його людським оком (яскравості) є люмен (лм). Світловий потік в 1 лм білого світла рівний 4,6*10^-3 Вт (або 1 Вт =217 лм).

Освітленість -величина, рівна відношенню світлового потоку, що падає на поверхню, до площі цієї поверхні. Освітленість виміряється в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для білого світла 1 лк = 4,6×10^-3 Вт/м² (або 1 Вт/м² =217 лк).

Прилади, призначені для виміру освітленості, називаються люксметрами.

 

Освітленість, створювана різними джерелами

Джерела	Освітленість, лк	Освітленість, Вт/м^2
Сонячне світло опівдні (середні широти)
Сонячне світло взимку
Хмарне небо влітку	5000-20000	23-92
Хмарне небо взимку	1000-2000	4,6-9,2
Розсіяний світло у світлій кімнаті (поблизу вікна)		0,46
Світильники, що створюють необхідну для читання освітленість	30-50	0,14-0,23
Повний Місяць, що опромінює поверхню Землі	0,2	0,92×10-3

 

У зв'язку з більшим потенціалом сонячної енергії надзвичайно привабливим є максимально можливе безпосереднє використання її для потреб людей.

При цьому самим оптимальним представляється пряме перетворення сонячної енергії в найпоширенішу у використанні електричну енергію.

Це стає можливим при використанні такого фізичного явища як фотоефект.

Фотоефектом називаються електричні явища, що відбуваються при висвітленні речовини світлом, а саме: вихід електронів з металів (фотоелектрична емісія або зовнішній фотоефект), переміщення зарядів через границю розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) (вентильний фотоефект), зміна електричної провідності (фотопровідність).

При висвітленні границі розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) між ними встановлюється різниця потенціалів (фотоЭДС). Це явище називається вентильним фотоефектом, і на його використанні засноване створення фотоелектричних перетворювачів енергії (сонячних елементів і батарей).

Найпоширенішим напівпровідником, використовуваним для створення сонячних елементів, є кремній.

Сонячні елементи характеризуються коефіцієнтом перетворення сонячної енергії в електричну, який являє собою відношення падаючого на елемент потоку випромінювання до максимальної потужності вироблюваної їм електричної енергії. Кремнієві сонячні елементи мають коефіцієнт перетворення 10-15 % (тобто при освітленості 1 кВт/м² виробляють електричну потужність 1-1,5 Вт) при створюваній різниці потенціалів близько 1 В.

Типова структура сонячного елемента з p-n переходом зображена на мал.1.1 і містить у собі: 1 - шар напівпровідника (товщиною 0,2-1,0 мкм) з n-провідністю; 2 - шар напівпровідника (товщиною 250-400 мкм) з p- провідністю; 3 - додатковий потенційний бар'єр (товщиною 0,2 мкм); 4 - металевий контакт із тильної сторони; 5 - сполучний провідник з лицьовою поверхнею попереднього елемента; 6 - противовідбівне покриття; 7 - лицьовий контакт; 8 - сполучний провідник до тильного контакту наступного елемента. Характерний розмір сонячного елемента 10 см.

Сонячні елементи послідовно з'єднуються в сонячні модулі, які у свою чергу паралельно з'єднуються в сонячні батареї, як зображено на мал. 1.2.

У 1958 році вперше сонячні батареї були використані в США для енергозабезпечення штучного супутника Землі Vanguard 1. Надалі вони стали невід'ємною частиною космічних апаратів.

Широко відомі мікрокалькулятори, годинник, радіоприймачі й багато інші електронні апарати, що працюють на сонячних батареях.

 

 

Рис. 1.1. Структура сонячного елемента

 

 

 

Рис. 1.2. Е - сонячний елемент; М - сонячний модуль;

Б - сонячна батарея

 

За останні роки світовий продаж сонячних модулів склав по сумарній потужності 25 МВт у 1986 році й близько 60 МВт - у 1991 році.

Повна вартість сонячних елементів з 1974 по 1984 рік впала приблизно з 100 до 4 доларів США на 1 Вт максимальної потужності. Передбачається зниження цієї величини до 0,8 доларів США. Однак навіть при повній вартості сонячних елементів 4 долара США на 1 Вт плюс допоміжної апаратури 2 долара США на 1 Вт при опроміненні місцевості 20 МДж/м² у день і довговічності сонячних батарей 20 років вартість вироблюваної ними електроенергії становить приблизно 16 центів США за 1 кВт×год (4,4 цента за МДж). Це цілком конкурентоспроможне з електроенергією, вироблюваної дизельгенераторами, особливо у віддалених районах, де вартість доставки палива й обслуговування різко зростає. Очікується, що в найближчі кілька років сонячні батареї будуть широко використовуватися країнами, що розвивати в сільських місцевостях в освітлювальних системах і системах водопостачання.

Основні компоненти сонячної енергетичної установки зображені на мал. 1.3 і містять у собі: Б - сонячну батарею із приладами контролю й керування; А - акумуляторну батарею; І - інвертор для перетворення постійного струму сонячної батареї в змінний струм промислових параметрів, споживаний більшістю електричних пристроїв.

Незважаючи на нерівномірність добового потоку сонячного випромінювання і його відсутність у нічний час акумуляторна батарея, накопичуючи вироблюване сонячною батареєю електрику, дозволяє забезпечити безперервну роботу сонячної енергетичної установки.

Рис. 1.3. Сонячна енергетична установка

Експериментальна установка

 

Рис. 1.4. Схема експериментальної установки

 

Експериментальна установка (мал. 1.4) містить у собі: 1 – сонячний модуль, що полягає з 36-ти (9х4) сонячних елементів; 2 – амперметр і 3 – вольтметр для визначення напруги й сили струму, вироблюваних сонячним модулем; 4 – джерело світла, що імітує сонячне випромінювання; 5 – люксметр для визначення освітленості поверхні сонячного модуля; 6 – реостат, що представляє собою регульоване навантаження в електричнім колі.

 

 

Порядок виконання роботи

 

а). Дослідження характеристик холостого ходу сонячного елемента

 

1. Упевнитися, що навантаження на сонячному модулі немає.

2. Установити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модуля (нульова відмітка на лімбі джерела).

3. Включити джерело світла.

4. Люксметром виміряти освітленість Е в центрі (Е_ц) і в чотирьох крайніх крапках поверхні (Е₁, Е₂, Е₃, Е₄) сонячного модуля й обчислити її середнє значення (Е_ср).

5. За показниками вольтметра визначити вироблювану сонячним елементом ЭДС.

6. Проробити аналогічні виміри при косім падінні випромінювання на поверхню модуля, повертаючи джерело світла на 10, 20, 30, 40, 50 градусів по лімбу.

7. Обчислити щільність потоку випромінювання W (енергетичну освітленість), використовуючи співвідношення між лк і Вт/м² для білого світла, W = 4,6×10^-3 Е_ср.

8. Обчислити ЭДС, вироблювану одним сонячним елементом ЭДС-1, розділивши ЭДС на число елементів 36.

9. Усі результати занести в табл. 1.1.

 

Т а б л и ц я 1.1

Результати вимірів і обчислень

Кут падіння випромінювання, град	Ец, лк	Е1, лк	Е2, лк	Е3, лк	Е4, лк	Еср, лк	ЭДС, В	W, Вт/м^2	ЭДС-1, В

 

Побудувати графік залежності ЭДС сонячного модуля від щільності потоку випромінювання, що падає на його поверхню W.

 

б). Визначення вольт-амперної характеристики сонячного модуля

 

1. Підключити навантаження (реостат) до ланцюга сонячного елемента.

2. Установити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модуля (нульова відмітка на лімбі джерела).

3. Включити джерело світла. За показниками вольтметра визначити напругу у ланцюзі U. За показниками амперметра визначити струм у ланцюзі I.

4. Переміщаючи рухливий контакт реостата, змінити опір навантаження в ланцюзі й виконати виміру U та I. Провести виміри 6 раз у межах від мінімального до максимального значення опору навантаження.

5. Для кожного виміру обчислити електричну потужність у ланцюзі W_Э=I×U.

6. Усі дані занести в табл. 1.2.

 

Т а б л и ц я 1.2

Щільність потоку випромінювання, Вт/м^2	Номер виміру	Напруга U, В	Струм I, А	Потужність WЭ, Вт

 

9. Побудувати вольт-амперну характеристику (графік залежності I від U) сонячного модуля при даній щільності потоку випромінювання, значення якої брати з попередньої серії вимірів.

Відзначити найбільше значення потужності, вироблюваної сонячним модулем.

 

Л і т е р а т у р а

 

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии.– М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Solar Electricity /Ed. Tomas Markvart/. UNESCO Energy Engineering Series. New York, 1994.

 

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Енергозбереження» для студентів спеціальності «Електротехнничні системи електроспоживання» всіх форм навчання.

 

Укладач: Сінчук Ігор Олегович

 

 

Реєстраційний № ________________________

 

Підписано до друку ______________________________2011 р.

Формат А 5

Обсяг стор.

Тираж примірн.

 

Видавничий центр КТУ, вул.. ХХІІ партз їзду 11,

м. Кривий Ріг.