Выходная мощность и кпд фотоэлектрических генераторов

  

Вся электронная библиотека >>>

 Солнечная энергетика >>>

 

 

 

 Солнечная энергия для человека


Раздел: Наука

 

Выходная мощность и кпд фотоэлектрических генераторов

  

При наличии внешней цепи последняя соединяется с полупроводниками в точках, называемых контактами. Обычно внешняя цепь образована металлическими проводниками, и. в месте контактов металл — полупроводник вследствие диффузии электронов образуются новые обедненные слои (только в полупроводниках), подобные тем, которые возникают в р — я-переходах. Такие «полупереходы» препятствуют возникновению при равновесии в местах контактов разности потенциалов, о которой говорилось выше. (Фактически для любой внешней цепи ориентировочно можно считать, что изменения потенциала на каждом из таких зажимов вдвое меньше по сравнению с его изменениями на стыке двух полупроводников.) Если бы это условие не выполнялось, то при подключении внешней цепи под воздействием света, падающего на генератор, равновесие зарядов должно было бы нару--<

шиться. Мы видели, что при переходе электронов в кристалл д-типа, а дырок в кристалл р-типа первый как бы заряжается относительно второго. В результате возникает новое состояние равновесия, которому соответствует иное распределение потенциала, сопровождаемое появлением разности потенциалов на контактах, называемой напряжением разомкнутой цепи. При слабом освещении оно мало, поскольку количество образующихся пар электрон — дырка значительно меньше количества основных носителей в легированном полупроводнике. Однако с повышением интенсивности освещения напряжение У0 разомкнутой цепи возрастает до тех пор, пока оно не достигнет величины Е0, когда преобладание этих новых носителей приведет к исчезновению скачка потенциала в области перехода.

Другим (предельным) режимом работы генератора является режим короткого замыкания. Если свободные концы кристаллов соединены проводом, сопротивлением которого можно пренебречь, то уровень Ферми должен быть одинаков в обоих кристаллах. В этом случае пары электрона — дырка, возникающие при световом воздействии, должны интенсивно разделяться в области перехода, поскольку этому способствует разность потенциалов, существующая на переходе. Ток короткого замыкания /кз прямо пропорционален интенсивности падающей на полупроводники радиации. Но поскольку сопротивление внешней цепи близко к О, то работы в ней не совершается.

Очевидно, с практической точки зрения представляет интерес некоторое промежуточное положение, когда во внешнюю цепь включена нагрузка, падение напряжения на которой не равно 0 (в отличие от режима короткого замыкания) и через которую проходит ток (в отличие от режима холостого хода). Разность потенциалов V, обеспечивающая прохождение тока в нагрузке, определяется разностью уровней Ферми в контактирующих кристаллах. Положения этих уровней и границ энергетических зон схематически показаны на  73. В этом случае скачок потенциала нд р — я-переходе, равный Е0—1/, меньше, чем в режиме короткого замыкания Е0. Следовательно, разделение пар электрон — дырка, генерируемых при освещении р — д-перехода, происходит менее интенсивно, чем в режиме короткого замыкания. Тогда при одной и той же интенсивности радиации Р с повышением напряжения V плотность тока / падает. Это обусловлено тем, что если первоначально достаточно большой скачок потенциала препятствовал перемещению части носителей, то при повышении V и, следовательно, уменьшении потенциального барьера они получают возможность «перескакивать» его.  Такие кривые можно получить и расчетным путем на основании анализа сложного поведения освещаемого р—п-перехода. Однако это не входит в задачу книги, а для ориентировочной оценки реального к. п. д. фотоэлектрического генератора вполне достаточно проведенного нами рассмотрения основных особенностей его работы.

мы можем найти соотношение между током и падением напряжения на нагрузке. Однако нас интересует произведение этих величин j-V, поскольку оно характеризует получаемую в нагрузке мощность, приходящуюся на единицу освещенной поверхности перехода. Из  74 мы видим, что произведение j-V максимально в том случае, когда вписанный в эти кривые прямоугольник имеет наибольшую площадь. Такому режиму работы генератора соответствует отмеченная на графике точка А. В этом случае падение напряжения на нагрузке можно принять равным 0,5 Е3 (где Е3 — ширина запрещенной зоны). Плотность тока при этом мало отличается ог плотности тока в режиме короткого замыкания /кз, когда ток, возникающий за счет образования при воздействии света пар электрон — дырка, максимален. Величина этого тока зависит от того, насколько эффективно происходит разделение пар (без учета их частичной рекомбинации, которая в настоящее время пока еще не поддается точному расчету). Экспериментальные данные показывают, что при правильном выборе материалов и достаточно освещенной конструкции генераторов можно добиться того, чтобы в процессе генерирования полезной мощности участвовало не менее 80% всех возникающих под действием света пар электрон — дырка. В режиме, соответствующем выбранной нами рабочей точке, используется около 70% таких носителей. Следовательно, величина полезной мощности составляет около 0,5-0,7 = 0,35, то есть 35% от идеального значения определенной ранее выходной мощности, которая соответствует максимальному к. п. д. преобразования энергии фотонов. Там же было показано, что в процессе преобразования участвуют лишь около 45% солнечной энергии. Согласно нашим оценкам, реально мы можем рассчитывать лишь на 35% от этого значения, то есть не более 16% солнечной энергии можно превратить в полезную мощность. К. п. д. многих реальных фотоэлектрических генераторов составляет лишь около 15%, так что паши оценки вполне верны.

Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным  75. Как следует из  74, при малой интенсивности солнечной радиации к. п. д. ее преобразования заметно снижается, так как в этом случае на нагрузке невозможно получить достаточно большой разности потенциалов. Снова мы имеем прибор с низковольтным выходом: выходное напряжение кремниевых генераторов составляет около 0,6 В. При интенсивности солнечной радиации Р = 800 Вт/м2 полезная мощность практически не превышает 130 Вт/м2. Куда же расходуется оставшаяся неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в противном случае возбужденные носители могут преодолевать потенциальный барьер различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки непосредственно связана с температурой, то в равной мере мы можем говорить о необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100° С к. п. д. установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или лучеиспускание.

В настоящее время в фотоэлектрических генераторах («солнечные батареи» космических кораблей и и других автономных объектов «малой энергетики») обычно применяются полупроводники, полученные при разрезании одного кристалла. Устройство такого типа схематически показано на 76. В заключение этой главы рассмотрим некоторые возможные пути усовершенствования фотоэлектрических генераторов.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ: Солнечная энергия для человека

 

Смотрите также:

 

Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения ФЭП....

Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований
Гибридные маломощные станции, состоящие из фотоэлектрических панелей и дизельных генераторов, уже являются надежными...

 

Производственная мощность предприятия. Методика расчета. Важнейшей...

4) величину выходной производственной мощности, т.е. мощности на конец планируемого периода (Мвых); 5) среднегодовую производственную мощность (Mср.год) предприятия, которая может быть определена по формуле.

 

Показатели работы двигателей - крутящий момент, мощность...

Механический коэффициент полезного действия (КПД) двигателя — отношение эффективной мощности к индикаторной. Он зависит в основном от качества обработки деталей, смазывания трущихся деталей и правильности сборки двигателя.

 

магнитогидродинамический генератор МГД-генератор

Это обстоятельство позволяет существенно повысить начальную температуру рабочего тела, а следовательно, и коэффициент полезного действия генератора. Первый экспериментальный МГД-генератор мощностью всего в 11,5 кВт был построен в 1959 г. в США.