Реферати українською » Физика » Вуличне освітлення на сонячних батареях


Реферат Вуличне освітлення на сонячних батареях

Страница 1 из 4 | Следующая страница

ЗАПРОВАДЖЕННЯ

Нині тема розвитку альтернативних способів отримання енергії якнайбільше актуальна. Традиційні джерела стрімко вичерпуються і вже за якихось років може бути вичерпані. І вже нині енергетичні ресурси досить шляхи і значною мірою впливають на економіку багатьох держав.

Усе це змушує жителів нашої планети шукати нові шляхи отримання енергії. І з найперспективніших напрямів є отримання сонячної енергії. І це що природно. Адже саме Сонце дає життя нашою планеті й забезпечує нас теплому і світлом. Сонце обігріває все куточки Землі, управляє ріками Лугою і вітром. Його промені вирощують упродовж як мінімум квадрильйона тонн різноманітних рослин, які, своєю чергою, є їжею тварин.

Отже, ми готуємося вже використовуємо сонячної енергії у потреби і всі традиційні джерела (нафту, вугілля, торф) побачили земній кулі завдяки Сонцю.

Людина від самих древніх часів навчався користуватися дарами Сонця. Навіть простий багаття, який зігрівав наших предків тисячі років і продовжує це робити тепер, є щодо справи використанням сонячної енергії, яку нагромадила деревина. Але Сонце здатне задовольняти та більш масштабні людській потребі. За підрахунками вчених, людство потребує десяти мільярди тонн палива. Якщо вирахувати кількість таких умовних тонн, які надаються Сонцем протягом року, ми матимемо фантастичну суму – близько сотні трильйонів тонн. Отже, в людей з'являється кількість енергії, що перевищує необхідні ресурси вдесятеро. Потрібно лише взяти це енергетичне багатство. Цей запитання поставив і є їх украй актуальним науці.

Поновлювальні джерела важливі лише з погляду диверсифікації технологічної бази електрогенерації. Сьогодні світове співтовариство відчуває серйозне занепокоєння з приводу глобального зміни клімату.

Як показав дослідження, проведене компанією Exxon Mobile, світові енергетичні потреби щорічно зростають на 1.3% і до 2030 р. збільшаться на 40% проти 2005 р. 40% такого зростання доведеться на певнийенергогенерируюший сектор. Відповідно, викиди вуглекислого газу (CO2), пов'язані з сектором енергетики, теж зростуть.

Важлива перевага систем сонячноїфотоенергетики є викидів вуглекислого газу процесі роботи систем. Хоча непрямі викиди присутні інших стадіях життєвого циклу системи, фотоелектричні технології генерують набагато менше викидів на ГВт вироблюваної енергії протягом усього життєвого циклу, ніж технології, використовують традиційні є екологічно безпечними. Принаймні 89% викидів, що з виробництвом енергії, можна було б запобігти, замінивши традиційні джерела фотоелектричними.

Результатом багаторічної праці стало такий устрій як сонячна батарея.

У 2012 року, у Примор'ї проходитиме саміт АТЕС, підготовка якого активно ведеться вже нині. Одне з проектів АТЕС у Владивостоці - будівництво та їх реконструкція автодоріг території об'єктів саміту. Однією з головних завдань цього проекту – є організація висвітлення автодоріг. Темою даного диплома є: «Автоматизоване управління вуличним освітленням». Тема передбачає розгляд можливість застосування цього методу до нашого регіону.


>ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕУЛИЧНОЕОСВЕЩЕНИЕ НАСОЛНЕЧНЫХБАТАРЕЯХ

 

1.1  Історія створення сонячної батареї

Початковою точкою розвитку сонячних батарей є 1839 рік, коли було відкритофотогальванический ефект. Це відкриття було зроблено ОлександромЭдмономБеккерелем.

Наступним етапом історія сонячних батарей стала діяльність ЧарльзаФриттса. Через сорок чотири роки по відкриттяБеккереля, в 1883 року,Фриттс сконструював перший модуль з допомогою сонячної енергії. Основою винаходи послужив селен, покритий тонким шаром золота. Дослідник дійшов висновку, що це поєднання елементів дозволяє, хай у мінімальний ступінь (трохи більше один відсоток), перетворювати сонячної енергії в електрику.

Зрозуміло, аж до створення сучасних сонячних батарей було ще далеко. Протягом наступних десятиліть цей напрям наукових досліджень про розвивалося нестабільно. Періоди інтенсивної діяльності змінювалися різкими спадами. Чимало людей схильні вважати, що історія сонячних батарей веде своє почав із діяльності Альберта Ейнштейна. Зокрема, великий учений одержав у 1921 року Нобелівської премії за вивчення особливостей зовнішнього фотоефекту, а чи не за обгрунтування знаменитої теорії відносності.

У30-их роках радянські фізики отримали електричний струм, використовуючи фотоефект. Зрозуміло, коефіцієнт корисної дії (ККД) тоді не вражав. Він перевищував на один відсоток, але це було серйозним науковим кроком.

Вже 1954 року група американських вчених домоглася ККД, що досягає шести відсотків. Цього року світ побачила перша кремнієва сонячна батарея.

У 1958 року сонячна батарея став основним джерелом отримання електроенергії на космічних апаратах, як у радянських, і на американських. Але прилади продовжували удосконалювати.

У сімдесятих роках ККД становив десять відсотків. Такі показники було цілком прийнятними від використання альтернативних пристроїв отримання енергії на космічних апаратах, але використовувати сонячні батареї Землі доки мало сенсу. Та й коштували сонячні батареї дуже дорого. Це обумовлювалось дорожнечею матеріалу. Наприклад, ціна одного кілограма кремнію становить близько ста доларів. Тільки дев'яностих роках намітилися певні позитивні зрушення у розвитку альтернативних джерел енергії і сонячних батарей зокрема.

Успішне і стабільне виробництво було налагоджено аж наприкінці вісімдесятих. Сьогодні випущені сонячні батареї мають ККД, небагатьом перевищує двадцять відсотків.

1.2  Принцип дії сонячної батареї

Перетворення енергії вфотоелектрическом перетворювач грунтується нафотовольтаическом ефект (>фотоеффекте), що виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при вплив ними сонячного випромінювання.

>Фотоеффект — це випущення електронів речовиною під впливом світла (і, власне кажучи, будь-якого електромагнітногоизлучения)[1]. У конденсованих речовинах (твердих і рідких) виділяють зовнішній і внутрішній фотоефект. Зовнішнімфотоеффектом (>фотоелектронной емісією) називається випущення електронів речовиною під впливом електромагнітних випромінювань.Электрони,вилетающие з речовини при зовнішньомуфотоеффекте, називаютьсяфотоелектронами, а електричний струм, утворюваний ними при упорядкованому русі в зовнішньому електричному полі, називаєтьсяфототоком. Внутрішнімфотоеффектом називається перерозподіл електронів по енергетичним станам твердих і рідких напівпровідниках і діелектриках, що відбувається під дією випромінювань. Він виявляється у зміні концентрації носіїв зарядів серед і призводить до виникненняфотопроводимости чивентильного фотоефекту.

Неоднорідність структури може бути отриманалегированием (додавання невеликих кількостей домішок із єдиною метою контрольованого зміни електричних властивостей напівпровідника, зокрема, його типу провідності) однієї й тієї ж напівпровідника різними домішками (створенняp -n-переходов) чи шляхом з'єднання різноманітних напівпровідників з неоднаковою шириноюзапрещеннойзони-енергии відриву електрона з атома (створеннягетеропереходов), або ж рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що спричиняє появу градієнта ширинизапрещенной зони. Можливі й різні комбінації перелічених способів.

 

1.2.1  >P-n перехід чиелектронно-дирочний перехід

>P-n перехід (>n-negative - негативний, електронний,p-positive - позитивний,дирочний), чиелектронно-дирочний перехід - різновидгомопереходов. Зоноюp-n переходу називається область напівпровідника, у якій має місце просторове зміна типу провідності від електронної n додирочнойp.

Малюнок 1.1 -Электронно-дирочний перехід

При контакті двох областей n- іp- типу через градієнта концентрації носіїв заряду виникає дифузія у сфері з протилежним типом електропровідності.Диффузия (латів.diffusio — поширення, розтікання, розсіювання) — процес перенесення матерії чи енергії в галузі із високим концентрацією до області з низькоюконцентрацией[2]. Уp-области поблизу контакту після дифузії залишаютьсянескомпенсированние іонізовані акцептори (негативні нерухомі заряди), аn-области —нескомпенсированние іонізовані донори (позитивні нерухомі заряди). Утворюється область просторового заряду, що складається з двохразноименно заряджених шарів. Міжнескомпенсированнимиразноименними зарядами іонізованих домішок виникає електричне полі, спрямоване відn-области доp-области і званедиффузионним електричним полем. Дане полі перешкоджає подальшої дифузії основних носіїв через контакт — встановлюється рівноважний стан (у своїй є невеличке струм основних носіїв через дифузії, і струм неосновних носіїв під впливом контактного поля, ці струми компенсують одне одного). Між n- іp-областями у своїй існує різницю потенціалів, звана контактної різницею потенціалів. Потенціалn-области позитивний стосовно потенціалуp-области. Зазвичай контактна різницю потенціалів у разі становить десяті частки вольта. Зовнішнє електричне полі змінює висоту бар'єра порушує рівновагу потоків носіїв струму через бар'єр. Якщо позитивний потенціал прикладений доp-области, то потенційний бар'єр знижується (пряме усунення), а область просторового заряду звужується. І тут зі зростанням докладеної напруги експоненціально зростає кількість основних носіїв, спроможних перебороти бар'єр. Щойно ці носії минулиp —n-переход, вони стаютьнеосновними. Тому концентрація неосновних носіїв з обох боків переходу збільшується (>инжекция неосновних носіїв). Водночас уp- іn-областях через контакти входять рівні кількості основних носіїв, викликають компенсацію зарядівинжектированних носіїв. Через війну зростає швидкість рекомбінації і виникає відмінний від нуля струм через перехід, що з зростанням напруження експоненціально зростає. Додаток негативного потенціалу доp-области (зворотне усунення) приводить до підвищення потенційного бар'єра.Диффузия основних носіїв через перехід стаєпренебрежимо малої. У той самий час потоки неосновних носіїв не змінюються (їм бар'єра немає).Неосновние носії заряду втягуються електричним полем вp —n-переход і проходять нього до сусіднього область (екстракція неосновних носіїв). Потоки неосновних носіїв визначаються швидкістю теплових генерувальниківелектронно-дирочних пар. Ці пари дифундують до бар'єра і поділяються його полем, у результаті черезp —n-переход тече струмIs (струм насичення), який звичайно незначний і майже залежить від напруги. Отже,вольт-амперная характеристикаp —n-перехода має різко вираженоїнелинейностью. При зміні знака U значення струму через перехід може змінюватися в 105 — 106 раз. Завдяки цьомуp —n-переход можна використовувати для випрямлення змінних струмів.

 

1.2.2  >Гетеропереход

>Гетеропереходом називають контакт двох напівпровідників різноманітних й різного типу провідності, наприклад,pGe -nGaAs. Відмінністьгетеропереходов від зазвичайногоp-n переходу у тому, що у звичайнихp-n переходах використовується і той ж вид напівпровідника, наприклад,pSi -nSi. Бо угетеропереходах використовують різні матеріали, необхідно, аби в цих матеріалів з точністю збігалися два параметра: температурний коефіцієнт розширення й стала грати.

Кількість матеріалів длягетеропереходов обмежена. Найпоширенішими є германійGe, арсенід галіюGaAs, фосфід індіюInP,четирехкомпонентний розчинInGaAsP.

1.3  Переваги й недоліки сонячних батарей

 

1.3.1  Переваги

1) головна перевага сонячних батарей — їх гранична конструктивна простота і повний відсутність рухливих деталей.

2) сонячні батареї не потребують якомусь паливі та здатні працювати на внутрішніх ресурсах. Власникові непотрібно хвилюватися про збереження приладу і постійно підтримання його схоронність. Сонячні батареї мало бояться механічного зносу. Та й обслуговування їм ніяке непотрібно.

3) невелику питому вагу, невибагливість, максимально простий монтаж мінімальних вимоги до обслуговування під час експлуатації (зазвичай є досить лише протирати бруд з робочої поверхні).

4) дані устрою здатні прослужити щонайменше двадцяти п'яти.

5) варто забувати про екологічному чинник. Застосовувані технологій і матеріали цілком відповідають найвищим за екологічними мірками, сонячні батареї не виробляють викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище і абсолютно безпечні.

6) отримання енергії з батарей дозволяє заощадити чималі фінансові ресурси.

7) на відміну традиційних джерел, цей тип ресурсів практично невичерпний. Одержання традиційних джерел енергії сьогодні стає більш дорогим задоволенням серйозно б'є як у кишені простих споживачів, і за бюджетами багатьох держав.

1.3.2  Недоліки

1) невисокий ККД. Сонячні батареї перетворять енергію вибірково — для робочого порушення атомів потрібні певні енергії фотонів (частоти випромінювання), у одних шпальтах частот перетворення йде дуже ефективно, інші частотні діапазони їм безкорисними. З іншого боку, енергія уловлених ними фотонів використовуєтьсяквантово — її «надлишки», перевищують потрібний рівень, роблять шкідливий у разі нагрівання матеріалуфотопреобразователя. Багато в чому саме і пояснюється їх невисокий ККД. До речі, невдало обравши матеріал захисного скла, можна помітно знизити ефективності роботи батареї. Річ поглиблюється тим, що звичайне скло досить добре поглинаєвисокоенергетическую ультрафіолетовій частина діапазону, а деяких типів фотоелементів саме на часі саме такий діапазон, — енергія інфрачервоних фотонів їм занадто низька.

2) чутливість дозагрязнениям. Навіть досить тонкий шар пилу лежить на поверхні фотоелементів чи захисного скла може поглинути істотну частку сонячного світла, і помітно знизити вироблення енергії. У запилюженому місті це потребує частої очищення поверхні сонячних батарей, встановлених горизонтально чи похило. Безумовно, така сама процедура необхідна, і після кожного снігопаду, і після курною бурі.

3) зменшення ефективності протягом терміну служби. Напівпровідникові пластини, у тому числі зазвичай складаються сонячні батареї, згодом деградують і втрачають свої властивості, внаслідок і так дуже високий ККД сонячних батарей стає ще менше. Тривале вплив високих температур прискорює той процес. Проте, сучасні фотоперетворювачі здатні зберігати свою ефективність у надувалася протягом багатьох років. Вважається, що у середньому за 25 років ККД сонячної батареї зменшується на 10%. Отож зазвичай набагато важливіше вчасно протирати пил.

4) Сонячні батареї неможливо використати переважно районів нашої країни через погодних умов і недостатньої кількості сонячних днів.

5) Чутливість до високої температурі. З підвищенням температури ефективності роботи сонячних батарей, як і більшості інших напівпровідникових приладів, знижується. При температурах вище100..150°С можуть тимчасово стати непрацездатними, а ще більший нагрівання можуть призвести до необоротному пошкодження. Тому необхідно ухвалити всіх заходів зниження нагріву, неминучого під палючими прямими сонячним промінням. Додатково ускладнює ситуацію те, що чутлива поверхню досить тендітних фотоелементів часто закривається захисним склом чи прозорим пластиком. У результаті виходить своєрідний «парник»,усугубляющий перегрів. Щоправда, збільшивши відстань між захисним склом і поверхнею фотоелемента і з'єднавши зверху і знизу цю порожнину з атмосферою, то можна організувати конвекційний потік повітря, природним чином охолоджувальний фотоелементи. Проте за яскравому сонце і за високої температурі зовнішнього повітря цього й не вистачити. Тому сонячна батарея навіть великих розмірів вимагатиме спеціальної системи охолодження. Заради справедливості слід помітити, що такі системи зазвичай легкоавтоматизируются, а привід вентилятора чи помпи споживає лише невелику частину вироблюваної енергії. За відсутності яскравого сонця б такого великого нагріву немає і охолодження взагалі потрібно, отже енергія, зекономлена на привід системи охолодження, можна використовувати з метою.


Таблиця 1.1- Максимальні значення ККД фотоелементів і модулів, досягнуті в лабораторних умовах

Тип Коефіцієнт фотоелектричного перетворення, %
1 2
>Кремниевие
Si (кристалічний) 24,7
Si (>поликристаллический) 20,3
Si (>тонкопленочная передача) 16,6
Si (тонкоплівковийсубмодуль) 10,4
III-V
>GaAs (кристалічний) 25,1
>GaAs (тонкоплівковий) 24,5
Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація