Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология 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. В цепи проводников возникает ток I, причем горячий спай за секунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве Q = α T1I, а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в количестве
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:
( 4)
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:
(5)
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: 868; 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 - 3.17.75.227 (0.051 с.) |