Поглощение фотонов.

Основным процессом, к которому приводит поглощение электромагнитного излучения в полупроводниках, является генерация электронно – дырочных пар. При поглощении фотонов с энергиями возможны прямые переходы электронов через запрещённую зону (здесь h – постоянная Планка, 6,63*10^-34 Дж*с; ν – частота излучения; Е _g – ширина запрещённой зоны; полупроводниковые материалы солнечных элементов имеют Еg= 1эВ). h*ν > E_g (7.1.)

Солнечное излучение характеризуется высокой плотностью потока фотонов (1кВт/м²/[(2эВ)*(1,6*10^-19Дж*эВ^-1)] ≈ 3*10²¹ фотон/м²*с). Генерация носителей фотонами при освещении Солнцем полупроводника суммируется с всегда с присутствующей термической генерацией. В темноте существует только термическая генерация. Поглощающий фотоны р- n переход является источником постоянного тока. Фототок определяется количеством фотонов, поглощённых вблизи р – n перехода. Минимальная величина солнечного элемента из кремния =0,4мм. Фотоэлементы можно использовать для получения электроэнергии. Максимум энергии достигается, если поддерживать напряжение U и ток I такими, чтобы их произведение совпадало с линией максимальной мощности (рис. 7.1.) при изменении облучённости и сопротивлении нагрузки.

Рис. 7.1. Вольт – амперная характеристика типичной солнечной батареи из 33 кремниевых элементов. Видно, что линия типовой мощности (штриховая линия), соответствующая максимуму произведения U*I, хорошо согласуется с областью напряжений, требуемых для зарядки аккумуляторных батарей, даже без использования контроля нагрузки.

Батарея солнечных элементов представляет собой комбинацию соединённых параллельно модулей. Каждый модуль представляет собой последовательно соединённые элементы. Полное КПД солнечного элемента – 10%.

Существует много вариантов и промышленных разработок фотоэлементов и методов их изготовления. Стандартный солнечный монокристаллический кремниевый элемент показан на рис. 7.2.

Рис. 7.2. ДПБ – добавочный потенциальный барьер; 1- от лицевой поверхности предыдущего элемента; 2 – противоотражательное покрытие; 3 – лицевой контакт; 4 – к тыльному контакту следующего элемента; 5 - металлический контакт с тыльной стороны.

Основные технические требования

1. Исходный материал должен быть химически высоко чистым с устойчивыми свойствами.

2. Фотоэлементы должны производиться при минимальной стоимости.

3. Солнечные элементы должны иметь срок службы не менее 20 лет в условиях воздействия окружающей среды. Следует учитывать, что рабочая температура фотоэлемента может меняться в диапазоне от (- 30) до +200⁰С.

4. Электрические контакты должны быть стабильными и защищёнными от всех видов коррозии. Устройство должно быть водозащищённым.

5. Разрушение одного из элементов не должно приводить к выходу из строя всей системы.

6. Сборные модули должны выдерживать транспортировку в труднодоступные районы.

Энергия ветра

Причиной возникновения ветра является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, что приводит к расширению воздуха, появлению мощных вертикальных и более слабых горизонтальных потоков.

Характер течений определяется как местными географическими факторами, так и вращением Земли. На Земле ветры подразделяются на глобальные и местные.

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер. Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части Земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение Земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо – восточный пассат в северном полушарии и юго – восточный в южном. Пассаты дуют в приэкваториальной области, заключённой между 25 и 30⁰ северной и южной широтами соответственно. В северном полушарии пассаты охватывают 11% поверхности океанов, а в южной 20%. Сила пассатного ветра обычно составляет 2 – 3 балла. Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 60⁰ южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Это самый сильный постоянный ветер. Его сила достигает 8 – 10 баллов и редко бывает менее 5 баллов. В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются неодинаково, можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведёт себя по – разному, а для высот до 50 метров характерны «рыскающие» потоки.

Местные ветры первыми использовались для плавания. К ним относятся бризы. Бризы – это лёгкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточным колебанием температуры. Их периодичность обусловлена различием температуры суши и моря днём и ночью. Днём суша нагревается быстрее и сильнее, чем море. Тёплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря – морской бриз. Ночью берег охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому тёплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши – береговой бриз. Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны. Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу, и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение Земли вызывает появление сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют юго – западные муссоны, а зимой – северо – восточные. Муссоны достигают большой силы и вызывают в Индийском океане соответствующие местным ветрам поверхностные течения.

Таблица 8.1.

Сила ветра по шкале Бофорта

При скорости ветра u_o и плотности воздуха ρ ветроколесо, ометающее площадь А, развивает мощность:

Р = С_р*А*ρ*u_o³/2 (8.1.)

где С_р – коэффициент мощности;

Обычно Р~ С_р*ρ*u³ – мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса.

Расчёт делается на стандартную скорость – 12м/с. С 1м² снимается 300Вт при

С_р = 0,35 ÷ 0,45. Срок службы 15 – 20 лет.

Таблица 8.2.

Параметры ВЭУ различной проектной мощности при скорости ветра 12м/с.

Параметры рассчитаны для коэффициента мощности С_р = 30%, ρ_возд= 1,2кг/м², быстроходность Z = 6. Расчётная мощность

Р = ρ*(πD²/4)*u_o³С_р/2. Тогда D = (2,02м)*√(Р/1кВт), Т = 0,0436с/м