XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование концентраторов солнечной энергии как один из путей повышения эффективности фотопреобразования
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Солнце, как известно, является первопричиной всех известных видов энергии. Нефть, газ и уголь – это производные биомассы, появившейся за период времени около миллиарда лет под воздействием Солнца. Нет ничего более важного для человечества, как обеспеченность ресурсами. Едва ли можно представить, что предстоит пережить мировому сообществу, по мере реально прогнозируемого исчерпания природных энергоресурсов, если оно не выберет возможность перехода к использованию возобновляемых источников энергии и, в частности, к использованию неисчерпаемых солнечных ресурсов. Тем не менее, сегодня практически вся мировая энергетика функционирует так, будто существуют две бесконечности: бесконечность запасов ископаемого топлива и неограниченная возможность заполнять землю отвалами отходов, и выбрасывать в атмосферу газообразные продукты преобразования энергии и сырья. Возобновляемые источники энергии уже сегодня могут удовлетворить человеческие потребности в энергии. Россия – страна со сложным и неоднородным, по большей части холодным климатом. На территории страны множество регионов, неохваченных централизованной сетью электроснабжения, а в ряде регионов электро и теплоснабжение невозможно представить без привозных ископаемых энергоресурсов. Поэтому стоимость произведенного киловатт часа электрической или килокалории тепловой энергии разнятся от региона к региону. И только Солнце - как энергоноситель, в той или иной мере имеются повсюду. Очевидно, что невысокая плотность падающей солнечной энергии, которой характеризуются большинство регионов России, не позволяет напрямую эффективно использовать наработанные технологии фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в электричество. Действительно, даже самые совершенные фотоэлектрические солнечные модули с КПД преобразования до 20%, будучи установленные неподвижно на крыше здания (загородного дома) и сориентированные в направлении на Юг, могут вырабатывать в течение суток только 1/3 своего номинала по двум очевидным причинам:
- низкая инсоляция (плотность падающего солнечного излучения), не превышающая 400-600 Вт/м2, вместо номинальной - 1000 Вт/м2, на которую рассчитывается солнечный модуль;
- влияние так называемого «косинус-фактора», связанное с суточным движением Солнца по небосклону, в результате которого максимум вырабатываемой энергии приходится только на время, близкое к полуденному, когда принимающая поверхность фотоэлектрического модуля ориентирована точно на Солнце.
Решение данной проблемы лежит в области использования концентраторов солнечного излучения. В результате можно определить гипотезу о возможном влиянии концентраторов солнечной энергии на повышение эффективности работы солнечных модулей в результате повышения плотности падающей солнечной энергии.
Цель и задачи работы
Цель данной работы – найти оптимальные пути повышения эффективности работы солнечных модулей в условиях климата Южного Урала. Поставленная цель предполагала решение следующих задач:
- изучение доступных литературных и интернет – источников по вопросам фотопреобразования солнечной энергии, устройства преобразователей солнечной энергии, повышения эффективности фотопреобразователей;
- на основании изученной литературы и интернет - источников, определение реальных путей повышения эффективности солнечных модулей;
- разработка и изготовление устройств, позволяющих повысить эффективность процесса фотопреобразования и обеспечить проведение экспериментальных исследований по выявлению характеристик процесса фотопреобразования на изготовленных солнечных модулях;
- проведение экспериментальных исследований эффективности устройств.
Выполнение поставленной цели и задач предполагало найти оптимальные пути повышения КПД солнечных модулей и использование этих путей в практике.
Принцип работы солнечных элементов [3-6]
Батарея солнечных элементов является полупроводниковым фотоэлектрическим генератором, непосредственно преобразующим энергию солнечной радиации в электрическую энергию. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Первые солнечные элементы с практически приемлемым КПД преобразования (~6%) были разработаны Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным (США) в 1953-54 годах. Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными (структурными) особенностями солнечных элементов, количеством элементов в батарее. Распространённые материалы для солнечных элементов (СЭ) - Si, GaAs; реже используются CdS, CdTe. Наиболее высокий кпд получен в СЭ из Si со структурой, имеющей электронно-дырочный переход (15% при освещении в Земных условиях), и в СЭ на основе GaAs с полупроводниковым гетеропереходом (18%). Конструктивно солнечные батареи, обычно выполняют в виде плоской панели из СЭ, защищенных прозрачными покрытиями. Число СЭ в батарее может достигать нескольких сотен тысяч, площадь панели - десятков м2, ток достигает сотен ампер, напряжение - десятков вольт, генерируемая мощность - нескольких десятков кВт (в космических условиях). Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с p—nпереходом (Приложение лист I, рис. 1), возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Эта терминология берет начало от английских слов positive(положительный) и negative(отрицательный). Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы — электронную (отрицательную). Контакт p- или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля. 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—nпереходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p—nпереходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p—nперехода 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—nпереходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n - полупроводника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p—nперехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. 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 в «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фото - ЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p—nперехода. Генерированные вблизи p—nперехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p—nпереходу, подхватываются полем p—nперехода 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 — фото - ЭДС. Полярность фото - ЭДС соответствует «прямому» смещению p—nперехода, которое понижает высоту 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 фото - ЭДС. При этом величина фото - ЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фото - ЭДС выходит на «насыщение» и становится равной высоте барьера на неосвещенном p—nпереходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фото - ЭДС составляет 50 — 85% от величины контактной разности потенциала p—nперехода. При коротком замыкании освещенного p—nперехода 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. Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- иn- типами проводимости. В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроды, причем нижний электрод — сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).
Проблемы и перспективы солнечной энергетики [6-8]
Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Достоинства солнечных батарей - их простота, надёжность и долговечность, малая масса и миниатюрность СЭ, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды; основной недостаток, ограничивающий развитие солнечной фотоэнергетики, - их пока ещё высокая стоимость. Из-за теоретических ограничений в преобразовании спектра в полезную энергию (около 30%) для фотоэлементов первого и второго поколения (Приложение лист I, рис.2) требуется использование больших площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 гВт это может быть несколько десятков квадратных километров. Для сравнения, гидроэлектростанции, при таких же мощностях, выводит из пользования гораздо большие участки земли, но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности. Поэтому, в основном, устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 — 2 мВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. Фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Поток солнечной энергии, падающий на установленный под оптимальным углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться в два раза для заселённой части суши (до трёх с учётом пустыни Сахара). Атмосферные явления (облака, туман, пыль) не только изменяют спектр и интенсивность падающего на поверхность Земли солнечного излучения, но и изменяют соотношение между прямым и рассеянным излучениями, что оказывает значительное влияние на эффективность работы электростанции. Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних, и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это недостаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций. Одним из недостатков солнечной энергетики является сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему. Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Для фотоэлектрических элементов характерен процесс старения и через определённое время эффективность их начинает снижаться. Многие проблемы, описанные выше, могут быть решены при повышении эффективности работы фотоэлектрических модулей, но это само по себе является проблемой. Наиболее приемлемый и доступный способ, в современное время, решить эту проблему применение концентраторов солнечной энергии.
Изготовление экспериментальных солнечных модулей [8-9]
Смысл использования концентратора заключен в том, чтобы с помощью определённых линзовых систем или отражателей сконцентрировать весь свет на модуль солнечной батареи и этим повысить ее эффективность. Для этого можно использовать обычные выпуклые оптические линзы, но такая система будет очень сложна в изготовлении, с точки зрения монтажа и оптической фокусировки. Применение параболических, сферических и зеркальных концентраторов является приемлемым вариантом, но требует постоянной корректировки и отслеживания положения солнца. Для таких систем необходимым условием является, наличие электронного управляющего устройства, которое отслеживая положение солнца фокусирует концентратор на солнечную батарею. Таким образом, наиболее простым и доступным вариантом изготовления концентратора, является использование плоской линзы «линза Френеля» с возможным вариантом отслеживания положения солнца с помощью электронного следящего устройства. Для экспериментальной работы и получения конкретных данных, нам необходимы были солнечные элементы. Доступным вариантом явилось приобретение набора солнечных модулей, для самостоятельного изготовления солнечной батареи. Набор (производство США), включает в себя 38 пластин из поликристаллического кремния и проводники для сборки батареи. Общая мощность собранной из набора батареи составляет 65W, при напряжении 20V и выходном токе 3,2А. Из этого набора было решено сделать две батареи (10V, 1,6А, 32,5W). Одну батарею в последствии, при измерении параметров, использовали как контрольную, а на другую был установлен концентратор. Перед сборкой батареи, мы провели выборочное контрольное тестирование пластин, чтобы выявить возможный разброс параметров (необходимо для сборки абсолютно идентичных устройств). В качестве источника света был взят осветительный прибор (мощность лампы 1 кW), который располагался на расстоянии порядка 1,5 метра от рабочего стола. Данному источнику света, конечно, далеко до интенсивности солнечного, но, тем не менее, пластины давали некоторые параметры, которых вполне достаточно для определения выдаваемой мощности. Пластина помещалась тыльной стороной на металлическую токопроводящую поверхность, плоские проводники, которые напаяны на лицевую поверхность подгибались вверх, для предотвращения замыкания. Параметры производителя пластин, при максимальной производительности следующие: 1,75W., 3,5А., 0,5V. Отклонения параметров оказались незначительными и составили примерно 5%, что является очень неплохим показателем. Для пайки пластин нужна жидкая канифоль и паяльник, мощностью 60W. Проводники припаиваются к пластинам с лицевой и тыльной стороны. Это делается для того, чтобы соединить минус, которым является лицевая сторона элемента с плюсом соседней, которым является тыльная, серая сторона пластины. Для лицевой стороны батареи использовали тонкое оконное стекло. Раму для батареи собирали из алюминиевого уголка. Фиксацию пластин производили герметиком. Соединив проводники всех пластин и выведя клеммы батареи, закрыли тыльную часть органическим стеклом, приклеив его с помощью герметика. Готовые батареи тестировали в одинаковых условиях. При последовательном соединении двух батарей показания прибора оказались следующими: 20,3 V и 2,86 А, что соответствует мощности 58 W. Параметры отдельных батарей, несколько отличались, но незначительно и входили в норму погрешности (10,12 – 10,18V., 2,76 – 2,94А., 28 – 30W.). Сборка пластин, схема распайки и проверка параметров приведены в приложении (Лист II - IV, рис.3 - 8).
Изготовление экспериментального солнечного модуля с концентратором солнечной энергии [10-11]
Как уже говорилось выше, наиболее удобным концентратором является плоская линза Френеля. Линза Френеля (Приложение лист IV, рис. 9) это сложная составная линза. Состоит не из цельного шлифованного куска стекла со сферической или иной поверхностью (как обычные линзы), а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Такая конструкция обеспечивает малую толщину линзе (плоская линза) даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы невелика, лучи от точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах). Линзы Френеля изготавливаются кольцевыми и поясными. Кольцевые линзы направляют световой поток в каком – либо одном направлении. Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости. Основным недостатком линзы Френеля является то, что из – за наличия переходных краевых участков между зонами велик уровень паразитной засветки и разного рода «ложных изображений». Поэтому её использование для построения оптически точных изображений затруднено. Этот недостаток при использовании линзы в наших целях, в качестве солнечного концентратора, абсолютно не мешает. Доступные литературные и интернет - источники, рассматривают вопросы концентрирования солнечной энергии на точечные преобразователи, диаметром от 5 до 10 мм. Для этого используют свойство линзы собирать и фокусировать солнечный свет в определённой точке (Приложение лист V, рис. 10), где расположен преобразователь. Наиболее значимые из них, патентные разработки (RU 2436193 C1, RU 2444808 C2, RU 2444809 C2) (Приложение лист V, рис. 11 - 12). Такая конструкция концентратора в нашем случае, с плоским преобразователем, неэффективна. Мы использовали другое свойство линзы Френеля, направлять свет параллельным пучком на плоскость. Для изготовления экспериментального концентратора, использовались линзы от промышленных проекторов. Линзы разместили над плоскостью преобразователя, на расстоянии 20 мм (Приложение лист V, рис. 13). В одном из экспериментов, над плоскостью изготовленного преобразователя с концентратором помещали фокусирующую первичную линзу, с расчётом фокусировки линз Френеля (Приложение лист VI, рис. 14). Таким образом, проверили точное соответствие попадания солнечных лучей в фокус линзы Френеля. Однако определённого эффекта такая конструкция концентратора не показала. Экспериментальная проверка изготовленного преобразователя с концентратором солнечной энергии показала его эффективность и без дополнительной первичной фокусирующей линзы.
Экспериментальная проверка эффективности концентратора
Первоначальным этапом проверки являлось определение реальных параметров солнечных модулей, контрольного и с концентратором в условиях приближённых к максимальной освещённости, и в условиях с недостаточной освещённостью. Для этого был выбран день с минимальной облачностью. Параметры модулей замерялись цифровым вольтметром и амперметром. Затенение модуля проверялось относительно показаний люксметра. В результате измерений выявлено явное увеличение эффективности модуля с концентратором, приблизительно на 23% (30W и 37W). В условиях недостаточной освещённости, модуль с концентратором, так же показал более эффективные параметры. Аналогичные результаты были получены при искусственном освещении, лампой 1 кW с электронным регулятором мощности, обеспечивающим возможность изменения мощности светового потока. Графики, построенные по результатам замеров, приведены в приложении (Лист VI - VII, рис.15 - 16).
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- изучены доступные литературные и интернет - источники по проблемам солнечной энергетике и вопросам повышения эффективности работы солнечных модулей;
- определены основные пути повышения эффективности работы солнечных модулей, за счёт использования концентраторов солнечной энергии;
- разработана и изготовлена конструкция солнечного концентратора, позволяющего значительно повысить эффективность использования солнечного модуля;
- проведены экспериментальные замеры показателей напряжения и силы тока на выходе экспериментального солнечного модуля, которые показали его более высокую эффективность по сравнению с контрольным.
Список литературы и интернет - источников
1.А.М.Васильев, А.П. Ландсман, Полупроводниковые фотопреобразователи,М., Сов. радио, 1971 г.
2.В.М.Андреев, Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Соросовский образовательный журнал, 1996 г.
3.М.М. Колтун, Оптика и метрология солнечных элементов, М., Наука, 1985 г.
4.Ж.И.Алферов, Фотоэлектрическая солнечная энергетика, В сб. Будущее науки, М., Знание, 1978 г.
5.В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д.Румянцев, Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л., Наука, 1989 г.
6.М.М.Колтун, Солнечные элементы. М., Наука, 1987 г.
7.В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б.Попов, Солнечная энергия и космические полеты. М., Наука, 1984 г.
8.http://www.findpatent.ru/patent/244/2444808.html
9.http://www.findpatent.ru/patent/244/2444809.html
10.Н.Ю. Давидюк, Е.А. Ионова, Д.А. Малевский, В.Д. Румянцев, Н.А. Садчиков,Исследование влияния вторичных линзовых концентраторов на выходные параметры солнечных модулей с фотоэлектрическими преобразователями каскадного типа, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия, Журнал технической физики, том 80, выпуск 7, 2010 г.
11.Материалы пятой всероссийской научной молодёжной школы, Возобновляемые источники энергии, Москва, 2006 г.
Приложение
Рис.1. Схема работы солнечного элемента
Рис.2. Коэффициент фотоэлектрического преобразования для различных типов фотоэлементов
Рис.3. Набор пластин для сборки солнечных модулей
Рис.4. Пайка пластин
Рис.5. Пайка и монтаж пластин.
Рис.6. Изготовленные модули, тыльная и лицевая стороны.
Рис.8. Проверка параметров модулей.
Рис.7. Схема распайки пластин.
Рис.9 Линза Френеля.
Рис.13. Схема работы плоскостного концентратора.
Рис.11. Концентратор для точечных преобразователей.
Рис.10. Схема работы точечного концентратора.
Рис.12. Концентратор для точечных преобразователей с дополнительной (вторичной) линзой.
Рис.14. Схема работы плоскостного концентратора с фокусирующей линзой.
Рис.15. Параметры напряжения на выходе модуля в зависимости от освещённости.
Рис.16. Параметры тока на выходе модуля в зависимости от освещённости.