Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: XXIX Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 26 февраля 2015 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Электротехника

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Татаринова М.В. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА МАЛОЙ МОЩНОСТИ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XXIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 2(28). URL: http://sibac.info/archive/technic/2(28).pdf (дата обращения: 12.11.2019)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  УСТРОЙСТВА  МАЛОЙ  МОЩНОСТИ

Попелло  Егор  Сергеевич

студент  3  курса,  архитектурно-строительный  факультет  ОГУ,  РФ,  г.  Оренбург

Е-mail mouse-ka001@mail.ru

Татаринова  Мария  Витальевна

студент  3  курса,  факультет  информационных  технологий  ОГУ,  РФ,  г.  Оренбург

 

Разработка  альтернативных  источников  энергии,  сегодня  это  основная  проблема  человечества  и  фотопреобразователи  —  одна  из  наиболее  перспективных  альтернатив.  Автономные  фотоэлектрические  системы  являются  независимыми  источниками  энергоснабжения  на  основе  альтернативной  энергии.  Электроснабжение  с  использованием  экологически  чистой  энергии  Солнца  направлено,  прежде  всего,  на  энергосбережение  имеющихся  природных  энергетических  ресурсов.  Данная  проблема,  проблема  энергосбережения,  актуальна  на  данный  момент.  Именно  это  и  обусловило  выбор  темы  исследования.

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.

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  элемен  выполняет  роль  помпы,  которая  перекачивает  электроны  в  направлении  n-область-внешняя  нагрузка-р-область  [1,  с.  143].

Поскольку  вольтамперная  характеристика  такого  прибора  проходит  через  четвертый  квадрант,  то  это  значит,  что  прибор  является  источником  тока. 

 

http://sibac.info/files/2014_05_15_StudTech/12_Civina.files/image001.gif

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  pn  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  [3,  с.  73].

Экспериментальным  путем  было  определено  характеристики  образца  и  рассчитано  параметры.

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 

 

http://sibac.info/files/2014_05_15_StudTech/12_Civina.files/image002.gifОписание: 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].

 

http://sibac.info/files/2014_05_15_StudTech/12_Civina.files/image004.gif

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.

 

http://sibac.info/files/2014_05_15_StudTech/12_Civina.files/image005.gif

Рисунок  4.  Реальная  модель  устройства

 

На  данном  принципе  уже  реализованы  некоторые  устройства,  такие  как  фотоэлектрическое  зарядное  устройство  ФЗУ  5-5,  с  разъёмом  USB.

 

http://static.baza.farpost.ru/v/1344423458282_bulletin

Рисунок  5.  Фотоэлектрическое  зарядное  устройство  ФЗУ  5-5,  с  разъёмом  USB

 

Складные  фотозарядные  устройства  (солнечные  батареи),  применяемые  для  заряда,  электропитания  мобильных  телефонов,  GPS  навигаторов,  КПК  и  других  электронных  устройств  с  соответствующими  характеристиками  энергопотребления.  Изготовлены  ФЗУ  из  монокристаллического  кремния  с  антибликовым  покрытием,  на  тканевой  основе,  срок  службы  изделия  производитель  ставит  не  менее  20  лет.  Номинал.  напряжение  5,5  вольт.  Ток  макс.  мощности  не  <  800  млА,  макс.  мощность  не  <  5  вт.

Проблема  энергосбережения  с  каждым  годом  становится  всё  более  острой  и  злободневной,  но  наука  также  не  стоит  на  месте.

Французская  компания  Wysips  представила  на  выставке  CTIA  прозрачную  фотоэлектрическую  пленку,  которая  может  быть  наклеена  на  сенсорный  экран  смартфона,  как  впрочем,  и  на  любой  другой  экран.

 

Wysips

Рисунок  6.  Фотоэлектрическая  пленка

 

Пленка  не  искажает  изображение,  а  также  не  уменьшает  функциональные  возможности  тачскрина.  При  этом  новинка  обеспечивает  устройству  мощность  0,25  Вт.  По  мнению  специалистов,  участвующих  в  разработке,  новинка  способна  зарядить  смартфон  за  шесть  часов.  В  будущем  планируется  сократить  время  на  подзарядку  устройств  до  получасового  периода.  Стоимость  оснащения  одного  устройства  составит  в  районе  1  долл.

Другую,  не  менее  интересную  интерпретацию  зарядного  устройства,  представил  французский  дизайнер  Вивьен  Мюллер.  Вивьен  Мюллер  разработала  фотоэлектрическое  зарядное  устройство  PhotonSynthesis  (Фотосинтез)  для  мобильных  телефонов,  фотоаппаратов  и  другой  портативной  электроники.

 

solar tree - солнечное дерево, или фотоэлектрическое зарядное устройство

Рисунок  7.  Фотоэлектрическое  зарядное  устройство  PhotonSynthesis

 

Зарядное  устройство  представляет  собой  дерево  с  57  листьями-солнечными  панелями,  с  помощью  которых  аккумуляторы  заряжаются  солнечной  энергией.  Накопленная  в  течение  солнечного  дня  энергия  может  быть  использована  в  любое  время  суток.  Заряжаемые  устройства  могут  быть  спрятаны  под  «почвой»  электронного  дерева,  а  все  провода  спрятаны  в  его  стволе  и  ветвях  [4].

Но  поистине  сенсацией  в  области  использования  солнечной  энергии  стала  разработка  американских  инженеров.  Проект  подразумевает  превращение  дороги  в  интерактивную  систему  под  названием  Solar  Roadways  (Солнечные  пути). 

Суть  проекта  заключается  в  замене  традиционного  дорожного  покрытия  интерактивными  панелями,  в  которые  будут  встроены  солнечные  батареи.  Эти  панели  выступят  в  роли  огромной  солнечной  электростанции,  которая  будет  снабжать  энергией  и  саму  дорожную  инфраструктуру,  и  придорожные  заведения,  строения,  небольшие  города.  Дорожная  разметка  при  этом  становится  интерактивной,  благодаря  чему  на  полотно  выводятся  любые  изображения  и  информация  [4].

 

Интерактивные панели

Рисунок  8.  Интерактивная  панель

 

Реализация  проекта  предполагается  следующим  образом:  после  замены  существующего  дорожного  полотна  на  солнечные  батареи  они  накрываются  сверхпрочным  прозрачным  материалом  на  основе  стекла,  который  способен  выдерживать  постоянную  транспортную  нагрузку.  С  помощью  подобной  схемы,  по  мнению  разработчиков,  можно  сделать  ненужными  ряд  стандартных  электростанций.

Такая  дорога  будет  зимой  самоочищаться  от  льда  и  снега  благодаря  легкому  прогреву.  В  то  же  время  дорожные  знаки  приобретут  интерактивность  и  будут  управляться  от  дороги,  а  разметка  будет  высвечиваться  светодиодами,  встроенными  в  полотно.  Также  предполагается,  что  от  такого  дорожного  полотна  будет  возможна  бесконтактная  зарядка  электромобилей  [4].

Покрытие  Solar  Roadways  включает  три  слоя:

1-й  (внешний)  —  это  сверхпрочное  стекло,  которое  должно  выдерживать  массу  даже  тяжелых  грузовиков,  не  прогибаться,  чтобы  не  повредить  солнечные  панели;

2-й  —  электронный,  который  включает  микропроцессоры,  нагревательные  элементы  для  защиты  от  снега,  солнечные  панели,  подсветку;

3-й  —  коммуникационный,  через  который  добытая  дорогой  электроэнергия  будет  поступать  внешним  потребителям.

 

Слои интерактивных панелей

Рисунок  9.  Покрытие  Solar  Roadways

 

Прототип  панелей  был  тщательно  протестирован,  и  смог  выдержать  воздействие  даже  самых  тяжёлых  грузовиков.  При  этом  в  производстве  панелей  можно  использовать  переработанное  сырьё  —  прототипы  на  10%  состояли  из  переработанного  стекла. 

Также  создатели  предлагают  устанавливать  датчики  давления,  с  помощью  которых  дорога  сама  сможет  обнаружить,  например,  сломавшийся  автомобиль,  стоящий  на  полосе  движения  или  перебегающее  дорогу  крупное  животное.  Соответствующее  предупреждение  будет  выводиться  прямо  на  дорогу,  и  все  приближающиеся  к  опасному  месту  водители  его  увидят.  Если  человек  наступит  на  панели  в  полной  темноте  —  покрытие  подсветит  ему  путь  снизу.  Одновременно  с  этим  примерно  за  двести  метров  от  пешехода  для  автомобилистов  появится  предупреждение  о  переходящем  дорогу  человеке,  и  предложение  сбросить  скорость.

 

http://www.novate.ru/files/u4755/solarroad-3.jpg

Рисунок  10.  Покрытие  Solar  Roadways

 

В  заключение,  следует  отметить,  что  современная  фотоэлектрическая  система  производит  экологически-чистую  электроэнергию,  не  загрязняющую  окружающую  среду.  Защита  экологии  и  ее  очищение  от  вредных  выбросов  углекислого  газа,  уменьшение  парникового  эффекта  —  это  важные  преимущества,  которые  дают  фотоэлектрические  модули.  Эксплуатация  солнечных  установок  не  только  позволяет  пользоваться  бесплатным  электричеством,  но  и  сокращает  выбросы  углекислого  газа  на  тысячи  тонн  в  год.  Солнечная  энергия  на  службе  у  человека  —  одно  из  современных  решений  проблемы  безопасного  энергообеспечения  «зеленой  энергией».

 

Список  литературы:

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

2.Официальный  сайт  Solar  Roadways  —  [Электронный  Ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.solarroadways.com/  (дата  обращения  7.02.2015). 

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

4.Электрик  Инфо  —  [Электронный  Ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://electrik.info/main/news/614-alternativnye-istochniki-energii.html  (дата  обращения  6.02.2015).

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

Оставить комментарий