Конспект лекций ташкент- 2015

9-Лекция
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
План:
1. Процесс преобразования солнечной энергии
2. Термоэлектрические преобразователи
3. Фотоэлектрические преобразователи
4. Принцип работы солнечных батарей
5. Фотоэлемент на основе полупроводников
6. Классификация солнечных электроустановок.
1.Физические основы процессов преобразования солнечной энергии.
1.1 Термоэлектрическис преобразователи.
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 среду с различными температурами, то между ними возникает тепло ЭДС.

где - абсолютная температура горячего спая;
- абсолютная температура холодного спая; - коэффициент пропорциональности.
В цепи проводников возникает ток I, причем горячий спай за секунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве

а холодный спай отдает тепло низкотемпературному телу в количестве

Разность подведенной и отведенной теплоты составляет секундную работу тока L [Вт]

Отношение работы к подведенной теплоте есть КПД процесса преобразования:

Сущность эффекта Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.
Явление Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному растет с температурой.
Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего - избыток положительных.
Поток этот более интенсивен в тех проводниках, у которых концентрация электронов больше.
Поэтому даже в простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток под действием ЭДС.
Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопленные электроны на холодном конце будут увеличивать его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, следующими к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникающей разности потенциалов.
Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразователя совпадает с термическим КПД цикла Карно, полностью определяется абсолютными температурами холодного и горячего спаев.
В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического сопротивления проводников, их термопроводности термического сопротивления теплообмену спаев с определяющими средами.
Поэтому, в действительности КПД установки равен

где - относительный электрический КПД преобразователя.
При использовании термоэлектрических преобразователей КПД очень мал, не превышает сотых долей процента.
Значительный эффект дает применение ПП, КПД возрастает до величины порядка 10%.
Фотоэлектрические преобразователи (ФП)
Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в ПП-ке электромагнитного излучения.
В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток.
В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля.
Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник- полупроводник, или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А/м² при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт/м².
Устройства на ПП-ковых переходах обычно называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС.
Фотоэлектрические устройства преобразуют лучистую энергию в электрическую.
Солнечные элементы генерируют электрический ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облученности.
Эффективность использования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи.
В современной солнечной энергетике широко применяются ПП-ковые преобразователи из химически чистого кристаллического кремния.
Кремний - широко распространенный в земной коре элемент, песок и кварц - это диоксид кремния.
Солнечный элемент (СЭ) состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок.
Свет, падающий на верхнюю пластинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается ЭДС элемента.
Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных ФП представляют собой Солнечную батарею (СБ). Эффективность преобразования лучистой энергии в электрическую в современных установках достигает от 13 до 17%, в лабораторных условиях в некоторых ПП-ках достигается эффективность - 40%.
Мощность СЭУ с ФП определяется соотношением:
[Вт]
где - КПД ФП (изменяется в современных кремниевых элементах в пределах
0,12-0,17%)
- их общая площадь, [м²]
Существует много вариантов и промышленных разработок фотоэлементов и методов их изготовления.
Однако, все они должны удовлетворять следующим техническим требованиям:
1. Химический высокочистый исходный материал с устойчивыми свойствами.
2.Минимальная стоимость фотоэлементов при производстве их в большом количестве. Необходимо обеспечить общий контроль за процессом их изготовления и высокий уровень точности.
3.Срок службы СЭ не ниже 20 лет в условиях воздействия окружающей среды. Рабочая температура фотоэлемента может меняться в диапазоне от -30 до +20°С.
4.Конструкция должна быть такова, что разрушение одного из элементов не должно приводить к выходу из строя всей системы.
5.Сборные модули пригодны для транспортировки.