Фотоэлектрическое преобразование энергии солнечного излучения

Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в электроэнергию непосредственно, минуя преобразования в тепловую и кинетическую энергию. Такое преобразование происходит в фотоэлектрических преобразователях, полупроводниковых приборах, способных под действием света генерировать электродвижущую силу постоянного тока.

Фотоэлектрические преобразователи представляют собой полупроводниковое устройство, в котором под действием света появляется электрический потенциал. Электрические свойства полупроводников описываются зонной теорией, согласно которой валентная зона и зона проводимости разделены энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4. Зонная структура полупроводника

с собственной проводимостью

При попадании фотона в валентный электрон, электрон возбуждается, и при достаточной энергии фотона может перейти в зону проводимости.

В настоящее время в фотоэлектрических преобразователях применяется кремний. Чистый кремний не содержит примесных атомов. Технически чистый кремний содержит незначительное число примесных атомов, которые могут отдавать или присоединять электроны. Если в полупроводник с собственной проводимостью внести примесь ионов, то возникает примесная проводимость. Так, например, если четырехвалентный атом кремния в кристаллической решетке заместить атомом с меньшей валентностью, то в решетке возникает акцепторный узел, способный захватывать свободные электроны. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Отсутствие свободных электронов приводит к появлению положительных состояний, называемых дырками. Дырки имеют тяготение к заполнению электронами, но тогда на месте присоединенного электрона появляется своя дырка. Такое явление можно интерпретировать, как перемещение дырок в веществе полупроводника.

Если внести примесь с большей валентностью, чем кремний, то возникнут донорные узлы, способные отдавать электроны. В этом случае по веществу полупроводника будут перемещаться электроны.

Первого типа полупроводники называются полупроводниками р-типа, а вторые – n-типа.

Для освещенного фотоэлемента имеем:

(4.12)

где j_ф – плотность фототока, А/м².

Эквивалентная схема фотоэлемента, соответствующая выражению (4.12), показана на рисунке 4.6. Здесь j_В – второе слагаемое в (4.12).

Рисунок 4.6. Эквивалентная схема идеального

фотоэлемента.

Практически ток, протекающий в фотоэлементе при освещении, отличается от расчетного по выражению (4.12), что объясняется наличием собственного сопротивления. Эквивалентная схема такого фотоэлемента приведена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7. Эквивалентная схема

реального фотоэлемента

R_Ш – собственное шунтовое сопротивление фотоэлемента, R_П – собственное последовательное сопротивление реального фотоэлемента, обусловленное присоединением выводов.

С учетом реальных изменений, уравнение тока фотоэлемента принимает вид /7, 11/:

(4.13)

где А – поправочный коэффициент, принимающий значения 1 – 5.

В настоящее время к.п.д. батареи фотоэлектрических преобразователей реально составляет 12 – 15%, то есть, для гарантированного получения мощности 1 кВт потребуется приблизительно 35 м² батарей ФЭП (при мощности солнечного излучения 200 Вт/м²). Максимальный теоретический к.п.д. фотоэлектрических преобразователей может достигнуть 45%. Реальные фотоэлектрические преобразователи имеют гораздо меньший к.п.д., и увеличение его. требует огромных усилий.

На рисунке 4.8 показана вольтамперная характеристика фотоэлемента.

Рисунок 4.8. Вольтамперная характеристика

реального фотоэлемента

I_КЗ – ток короткого замыкания, I_Н – номинальный ток, U_Н – номинальное напряжение, U_ХХ – напряжение холостого хода, Р_Н – номинальная мощность.

Номинальная мощность определяется следующим условием:

Р = IU → max (4.14)

Или, учитывая функциональную зависимость тока от напряжения, получаем:

Р = f(U)U → max (4.15)

Здесь f(U) – зависимость тока фотоэлемента от напряжения.

Дата добавления: 2014-01-06