Фотогальванический элемент

Выполнил студент 4 курса

ФПОЭ СГГА гр. ИС-45ш

Смагин Д.А.

 

 

Новосибирск 2004 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Вступление

 

2. Применение фотогальванических элементов

 

3. Использование солнца

 

4. Фотогальванические элементы в быту

 

5. Концентраторы солнечного света

 

6. Основные типы и характеристики фотогальванических элементов

 

7. Рентабельность использование фотогальванических элементов

 

ВСТУПЛЕНИЕ

На пороге ХХI века человек все чаще и чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать. Homo Sapiens прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу основных традиционных энергетических ресурсов - угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”, но все активнее обсуждаются вопросы использования новых нетрадиционных, альтернативных видов энергии.

По оценкам специалистов, мировые ресурсы угля составляют 15, а по неофициальным данным 30 триллионов тонн, нефти - 300 миллиардов тонн, газа - 220 триллионов кубометров. Разведанные запасы угля составляют 1685 миллиардов тонн, нефти - 137 миллиардов тонн, газа - 142 триллионов кубометров. Почему же наблюдается тенденция к освоению альтернативных видов энергии, при таких, казалось бы, внушительных цифрах, при том, что в последние годы в шельфовых зонах морей открыты огромные запасы нефти и газа?

Есть несколько ответов на этот вопрос. Во-первых, непрерывный рост промышленности, как основного потребителя энергетической отрасли. Существует точка зрения, что при нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти на 35-40 лет, газа на 50 лет. Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. Склады нефтепродуктов и окружающие их территории подчас напоминают “города мертвых”, а кадры кинохроники о плавающих в нефтяной пленке морских птицах и животных тревожат не только Greenpeace.

Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО2), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект*.

В настоящее время выдвигаются множество различных идей и предложений по использованию всевозможных возобновляемых видов энергии. Разработка некоторых проектов еще только начинается. Так, существуют предложения по использованию энергии разложения атомных частиц, искусственных смерчей и даже энергии молнии. Проводятся эксперименты по использованию “биоэнергетики”, например, энергии парного молока для обогрева коровников.

Но существуют и “традиционные” виды альтернативной энергии. Это энергия Солнца и ветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Есть проекты преобразования в электроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза на звероводческих фермах. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. В Солнце сосредоточено 99, 886% всей массы солнечной системы. Солнце ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235 .

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Фотогальванические элементы, которые превращают свет непосредственно в электрическую энергию без необходимости во внешнем источнике тока. Фотогальванические элементы на базе селена используются главным образом в люксметрах и экспозиметрах. Элементы, основанные на кремнии, имеют более высокий выход и используются, в частности, в управляющем и регулирующем оборудовании, для обнаружения световых импульсов, в системах связи с использованием волоконной оптики и т.д.

Специальными категориями фотогальванических элементов являются:

а) Солнечные элементы, кремниевые фотогальванические элементы, которые превращают солнечный свет непосредственно в электрическую энергию. Они обычно используются в группах в качестве источников электрической энергии, например, в ракетах или спутниках, используемых при исследовании космоса, для передатчиков, применяемых для спасения потерпевших в горах.

б) Фотодиоды (германиевые, кремниевые и т.д.), Характеризуемые изменением удельного электрического сопротивления при падении световых лучей на их p-N переход. Они используются в автоматической обработке информации (считывание перфокарт и лент, запоминание информации), в качестве фотокатодов в некоторых электронных приборах, в радиационных пирометрах и т.д. Фототранзисторы и фототиристоры принадлежат к этой категории фотоэлектрических приемников.

в) Оптроны и фотореле, состоящие из электролюминисцентных диодов в сочетании с фотодиодами, фототранзисторами или фототиристорами.

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЦА

Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Например, Тибет - самая близкая к Солнцу часть нашей планеты - по праву считает солнечную энергию своим богатством. На сегодня в Тибетском автономном районе Китая построено уже более пятидесяти тысяч гелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тысяч квадратных метров, созданы гелиотеплицы общей площадью миллион квадратных метров.

Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Новый рекорд в этом отношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании “Боинг”. Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 37 процентов попавшего на него солнечного света.

Это достижение стало возможным, с одной стороны, благодаря использованию двухслойной конструкции. Верхний слой - из арсенида галлия. Он поглощает излучение видимой части спектра. Нижний слой - из антимонида галлия и предназначен улавливать инфракрасное излучение, которое обычно теряется. С другой стороны, высокая эффективность достигается благодаря специальному покрытию, преломляющему свет и фокусирующему его на активные области солнечной ячейки.

В Японии ученые работают над совершенствованием фотогальванических элементов на кремниевой основе. Если толщину солнечного элемента существующего стандарта уменьшить в 100 раз, то такие тонкопленочные элементы потребуют гораздо меньше сырья, что обеспечит их высокую эффективность и экономичность. Кроме того, их малый вес и исключительная прозрачность позволят легко устанавливать их на фасадах зданий и даже на окнах, для обеспечения электроэнергией жилых домов. Однако поскольку интенсивность солнечного света не всегда и не везде одинакова, то даже при установке множества солнечных батарей, зданию потребуется дополнительный источник электричества. Одним из возможных решений этого вопроса является использование солнечных элементов в комплексе с двухсторонним топливным элементом. В дневное время, когда работают солнечные элементы, избыточную электроэнергию можно пропускать через водородный топливный элемент и таким образом получать водород из воды. Ночью же топливный элемент сможет использовать этот водород для производства электроэнергии.

Компактная передвижная электростанция сконструирована германским инженером Хербертом Бойерманом. При собственном весе 500 кг она имеет мощность 4 КВт, иначе говоря, способна полностью обеспечить электротоком достаточной мощности загородное жилье. Это довольно хитроумный агрегат, где энергию вырабатывают сразу два устройства – ветро-генератор нового типа и комплект солнечных панелей. Первый оснащен тремя полусферами, которые (в отличие от обычного ветрового колеса) вращаются при малейшем движении воздуха, второй - автоматикой, аккуратно ориентирующей солярные элементы на светило. Добытая энергия накапливается в аккумуляторном блоке, а тот стабильно снабжает током потребителей.

Глядя вперед, в те времена, когда штат Калифорния будет нуждаться в удобных станциях для подзарядки электробатарей, “Южно-калифорнийская компания Эдисон” планирует начать испытание специальной автостанции для машин, работающих на солнечной энергии, которая в конечном счете должна стать обычной заправочной станцией со множеством парковочных мест и различными магазинами. Солнечные панели на крыше станции, расположенной в городе Даймонд-Баре, обеспечат энергию для зарядки электромобилей в течение всего рабочего дня даже зимой. А излишек, получаемый от этих панелей, будет использоваться для нужд самой автостанции. Уже в 1981г. через пролив Ла-Манш совершил перелёт первый в мире самолёт двигателем, работающим от солнечных батарей. Чтобы совершить перелёт на расстояние 262 км, ему потребовалось 5,5 часа. А по прогнозам учёных конца прошлого века, ожидалось, что к 2000 году на дорогах Калифорнии появится около 200000 электромобилей. Возможно, и нам стоит подумать об использовании солнечной энергии в широких масштабах. В частности, в Крыму с его “солнцеобильностью”.

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В БЫТУ

Фотогальванические элементы преобразуют энергию солнечных лучей в электроэнергию. Первые изготовленные из кремния полупроводники были разработаны в 1954 г. Кремниевые элементы являются основой фотогальванических модулей. Кремний высокой чистоты становится сегодня самым распространенным основным элементом для производства солнечных ячеек. В космической отрасли солнечные ячейки используются уже с 1960 года для обеспечения электроснабжения спутников. На земле фотогальванические элементы стали применяться с начала 70-х годов. В настоящее время для изготовления стандартных солнцепреобразующих модулей используются преимущественно монокристаллические, поликристаллические или аморфные кремниевые пластины. Эти типы солнечных ячеек отличаются не только по типу изготовления, но и по их электрическим свойствам и внешнему виду.

На основе системной технологии SCHUCO появляются различные возможности установки солнцепреобразующих систем, начиная от традиционных решений, например, в плоские крыши, сверху на крыши, козырьки или встроенные в крыши. Более сложные конструкции - полностью остекленные крыши или вертикальные фасады со встроенными фотоэлементами. В каждом конкретном случае при встраивании активных солнцепреобразующих ячеек в фасад здания применяются новые технические и эстетические критерии. Архитекторы используют большой творческий потенциал с множеством привлекательных вариантов оформления, простота установки систем облегчает труд монтажников, а сами системы имеют очень хорошие шансы на расширяющемся рынке солнцепреобразующих систем. Это инвестиции, которые оправдывают себя очень быстро.