Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: XX Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 15 мая 2014 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Радиотехника, Электроника

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Цивина М.А. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО МАЛОЙ МОЩНОСТИ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 5(20). URL: http://sibac.info/archive/technic/5(20).pdf (дата обращения: 26.08.2019)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ  ЗАРЯДНОЕ  УСТРОЙСТВО  МАЛОЙ  МОЩНОСТИ

Цивина  Максим  Александрович

студент  6  курса,  кафедра  микроэлектроники  НТУУ  «КПИ»,  Украина,  г.  Киев

E-mail: 

Иващук  Анатолий  Васильевич

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  НТУУ  «КПИ»,  Украина,  г.  Киев

 

Разработка  альтернативных  источников  энергии,  сегодня  это  основная  проблема  человечества  и  фотопреобразователи  —  одна  из  наиболее  перспективных  альтернатив.  Преобразование  солнечной  энергии  базируется  на  внутреннем  фотоэффекте.  Суть  эффекта  заключается  в  том  что  под  влиянием  солнечной  энергии  происходит  перераспределение  электронов  по  энергетическим  состояниям  в  полупроводниках  и  диэлектриках.  Эффект  проявляется  в  изменении  концентрации  носителей  тока  и  приводит  к  появлению  вентильного  фотоэффекта.  В  результате  чего  происходит  увеличение  электрической  проводимости  [1].

В  качестве  материала  для  фотопреобразователей  используется  моно-кремниевая  пластина,  КПД  для  такого  типа  кремния  составляет  ~  15—16  %.  Такой  тип  элементов  идеально  подходит  для  устройства  по  соотношению  цена/качество.  Принцип  работы  солнечного  элемента  с  p-n  переходом  заключается  в  том  что  фото-сгенерированные  в  р-области  электроны  вытягиваются  электрическим  полем  в  n-область,  и,  наоборот,  фото-сгенерированные  в  n-области  дырки  вытягиваются  электрическим  полем  в  р  -  область.  На  омических  контактах  возникает  разность  потенциалов,  которая  называется  напряжением  холостого  хода  Uxx.  Если  закоротить  контакты,  то  через  солнечный  элемент  потечет  ток  короткого  замыкания  Iкз.  Для  того,  чтобы  элемент  отдавал  энергию  во  внешнюю  цепь,  к  его  контактам  присоединяют  нагрузку,  которая  имеет  электрическое  сопротивление  Rн.  То  есть  солнечный  элемент  выполняет  роль  помпы,  которая  перекачивает  электроны  в  направлении  n-область-внешняя  нагрузка-р-область  [4].

Поскольку  вольт-амперная  характеристика  такого  прибора  проходит  через  четвертый  квадрант  (см.  Рис.  1),  то  это  значит,  что  прибор  является  источником  тока. 

 

Плотность  тока,  мА  /  см

 

Напряжение,  В

 

Рисунок  1.  Вольтамперная  характеристика  солнечного  элемента  на  основе  p -n  перехода

 

Следует  отметить,  что  в  отличие  от  химических  источников  света  полупроводниковые  солнечные  элементы  не  портятся  при  электрическом  замыкании  контактов.  При  соответствующем  выборе  сопротивления  нагрузки  энергия,  вырабатываемая  солнечными  элементом,  может  достигать  80  %  от  произведения  Uxx  *  Iкз.  На  рисунке  1  показаны  также  значения  Uм  и  Iм  —  значение  тока  и  напряжения,  для  которых  реализуется  максимальная  выходная  мощность  Рм  =  Uм*Iм.  Коэффициент  полезного  действия  КПД  солнечного  элемента  определяется  как  отношение  максимальной  выходной  мощности  Рм  к  мощности  падающего  солнечного  света  Р0:  КПД  =  Рм  /  Р0.  Чем  больше  фотонов  солнечного  света  поглощается  солнечным  элементом,  тем  больше  будет  у  него  ток  Iкз.  Это  может  быть  достигнуто  за  счет  использования  полупроводников  с  меньшей  шириной  запрещенной  зоны  (тогда  повышается  количество  фотонов  в  солнечном  излучении,  которые  имеют  энергию  выше  ширины  запрещенной  зоны  полупроводника).  С  другой  стороны,  напряжение  Uxx  определяются  высотой  потенциального  барьера  в  p-n  переходе  и  будет  тем  больше,  чем  больше  ширина  запрещенной  зоны  полупроводника.  Поскольку  для  получения  максимальной  выходной  мощности  солнечного  элемента  нужно  создать  такой  элемент,  у  которого  будут  наибольшими  не  величины  Uxx  или  Iкз  отдельно,  а  произведение  Рм  =  Uр  *  Iр,  и,  учитывая  распределение  энергии  в  спектре  солнечного  излучения,  можно  подобрать  наилучший  полупроводниковый  материал  для  создания  эффективных  солнечных  элементов  [2].

Экспериментальным  путем  было  определено  характеристики  образца  и  рассчитано  параметры  (Таблица  1). 

Таблица  1.

Параметры  исследованного  образца

Параметры

Значение

Iр  (A)  —  Рабочий  ток

4,409

Up  (В)  —  Рабочее  напряжение

0,493

n  (%)  —  Коэффициент  полезного  действия

13,901

FF  (%)  —  Филфактор

70,764

P  (Вт)  —  Мощность

2,172

Iкз  (A)  —  Ток  короткого  замыкания

4,787

Uxx  (В)  —  Напряжение  холостого  хода

0,641

J  (mA/см2)  —  Плотность  тока

30,6

S  (мм)  —  Размер  образца

125  х  125

 

Структура  фотоэлемента  имеет  слоистый  вид  (см.  Рис.  2)

 

Свет

 

Описание: C:\Users\Tsiwina\Desktop\Diplom\капсуляция.bmp

Рисунок  2.  Структура  солнечной  панели  в  разрезе:  А)  Стекло  с  низким  уровнем  железа.  Б)  EVA   (этилен-винил-ацетат)  пленка  для  герметизации.  С)  ТРТ  (тедлар-полиэстер-тедлар)  пленка  для  упрочнения  конструкции.

 

Для  достижения  минимальных  потерь  энергии  необходимо  подобрать  максимально  похожие  фотоэлементы.  Также  соединить  их  так,  чтобы  получить  максимально  возможную  мощность,  при  необходимых  значениях  тока  и  напряжения  (Рис.  3)  [3].  При  наличии  параметров  элементов  можно  точно  рассчитать  сколько  элементов,  какой  площади  необходимо,  а  также  способ  соединения.  Так  как:

 

J  =  31,53  mA/см2  »  0,032  А/см2                              (1)

 

Найдем  площу  пластинки  необходимую  для  получения  тока  I  =  0.55  A  (минимальный  необходимый  ток  для  зарядки);

 

Sпл.  =  0,55  /  0,032  =  17,185  см2                              (2)

 

Среднее  значение  напряжения  ~  0.5  В,  так  как  элементы  будут  соеденены  последовательно,  необходимо  взять  12  пластин,  при  этом  будет  получена  мощность  Ps  =  6  ×  0,55  =  3,5  Вт,  что  является  вполне  достаточно  для  нормального  процессу  зарядки  аккумуляторной  батареи  мобильного  телефона  [1].

 

Рисунок  3.  Электрическая  схема  устройства:  Ф  —  Фотопреобразователь,  Д  —  Шунтирующий  диод

 

При  таком  размещении  панелей,  каждая  из  которых  имеет  размер  (30  мм  *  60  мм).  Реальная  модель  устройства  будет  иметь  вид  книжки  (Рис.  4.)

 

Рисунок  4.  Реальная  модель  устройства:  1  —  Фотоэлектрический  преобразователь,  2  —  Корпус,  3  —  Соединительные  проводники,  4  —  USB   выход

 

При  средней  стоимости  ~  30—40  $,  представленная  модель  является  реальной  альтернативой  устройств  для  обеспечения  зарядки  маломощных  электронных  гаджетов  (мобильных  телефонов,  навигаторов,  планшетов,  т.  п.).  При  исследовании  реального  образца  полная  зарядка  среднестатистического  мобильно  телефона  составляет  2—3  часа  в  солнечный  день.  Такое  устройство  является  очередной  ступенью  к  внедрению  чистой,  эффективной  и  долговечной  энергии  в  нашей  жизни.

 

Список  литературы:

1.Бабиев  Г.М.  Перспективи  внедрения  нетрадиционных  и  возобновляемых  источников  энергии  /Д.В.  Дероган,  А.Р.  Щокин  //  Электрический  Журнал.  —  1998.  —  №  1,  —  53—56  с.

2.Васильев  А.М.  Полупроводниковые  фотопреобразователи.  /А.М.  Васильев,  А.П.  Ландсман.  М.:  Советское  радио,  1971.  —  246  с.

3.Викулин  И.М.  Физика  полупроводниковых  приборов.  /И.М.  Викулин,  В.И.  Стафеев.  М.:  Сов.  радио,  1980.  —  293  с.

4.Фаренбрух  А.  Солнечные  элементы:  теория  и  эксперимент  /Р.  Бьюб,  Пер.  с  англ.  под  ред.  М.М.  Колтуна.  М.:  Энергоатомиздат,  1987.  —  280  с. 

Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий