Результаты экспериментов и их обсуждение

Содержание 
 

Введение ………………………………………………………………… 4 стр. 
 

Глава 1. Обзор основных достижений в области исследования

кремниевых  солнечных элементов при концентрированном 

излучении ………………………………………………………………… 7 стр. 
 

Глава 2. Сборка установки и техника эксперимента ………………… 20 стр. 

2.1.  Конструкция и сборка солнечных батарей

на концентрированном излучении ………………………… 20 стр.

2.2.  Приборы для замера оптических параметров солнечных

элементов и солнечных батарей …………………………... 26 стр.

2.3.  Замер параметров солнечных батарей …………………….  31 стр. 
 

Глава 3. Результаты экспериментов и их обсуждение ………………. 33 стр. 
 

Выводы по работе ……………………………………………………… 38 стр. 
 

Список  литературы …………………………………………………… 39 стр. 
 

Введение

     Солнце, как известно, содержит неисчерпаемый запас энергии. Оно является первопричиной всех известных видов энергии, таких как нефть, газ и уголь. Но со временем эти виды энергии исчерпываются, и цены на них будут только расти. В результате этого мировому сообществу необходимо переходить к использованию возобновляемых источников энергии, в частности, к использованию неисчерпаемых солнечных ресурсов.

     Солнечная энергетика – использование солнечного излучения для получения энергии  в каком-либо виде. Например:

1. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
2. Гелиотермальная энергетика – нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение, и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
3. Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
4. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счёт нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество – запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в тёмное время суток и в ненастную погоду.

     Основным  видом солнечной энергетики является получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

     В настоящее время фотоэлектрическая  энергетика – самый гибкий способ производства энергии. Его применение варьируется от микросистем, рассредоточенных по обширным территориям, до крупномасштабных электростанций. Эту технологию можно использовать в любых регионах мира.

     Так, к 2005 году сумма установленных мощностей  мира достигли 5 ГВт. Из них: Германия – 57%; Япония – 20%; США – 7%; остальной  мир – 16%. По подсчётам в 2010 году установленная  мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2 – 3,9 ГВт за год, а выручка производителей составит 18,6 – 23,1 млрд $/год. [1]

     Когда установленные мощности фотоэлементов  в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20-30%. [2]

     Широкомасштабному распространению фотоэлектрических станций (ФЭС) мешает низкая плотность солнечной радиации (до 1000 Вт/м²), достигающей поверхности Земли, что требует покрытие огромных площадей дорогими кремниевыми солнечными элементами.

     Одним из путей снижения стоимости ФЭС является применение концентрирующих систем для сбора солнечных лучей с большой площади и их фиксирование на небольшой объём солнечного элемента (СЭ).

     В частности, концентрирующие системы состоят из зеркал, которые могут быть плоскими, вогнутыми и параболоидной формы. Принцип работы концентраторов в виде зеркал заключается в отражении солнечного излучения на поверхность СЭ. Так же концентрировать солнечное излучение можно с помощью линз Френеля.

     Изготовленные обычно из оргстекла, линзы Френеля представляют собой пластину толщиной 1 – 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой вырезан профиль в виде концентрических колец, повторяющий профиль выпуклой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрации в 2 – 3 тысячи «солнц». Принцип работы линз Френеля заключается в собирании солнечного излучения, падающего перпендикулярно на пластину с плоской стороны, в одной точке, называемой фокусом линзы. А расстояние между линзой и фокусом называется фокусным расстоянием линзы. Именно в зависимости от этого расстояния и от степени концентрации, которую необходимо получить, устанавливается СЭ.

     Целью настоящей работы является сборка и  исследование оптических свойств солнечной  батареи из четырёх СЭ, работающих на концентрированном солнечном излучении с помощью линз Френеля.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1.

Литературный  обзор

     Сейчас  всё труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии, таких как нефть, газ и уголь, наиболее удобных в потреблении. Причиной этого является ограниченность ископаемых энергетических ресурсов и как следствие рост цен на эти ресурсы. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьём для интенсивно развивающейся химической промышленности.

     Атомная энергетика в последнее время  также столкнулась со значительными  трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций.

     Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь  угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также  и «тепловое загрязнение» планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Допустимый верхний предел выработки энергии на Земле всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведёт к нарушению экологического баланса Земли [3].

     Большинство возобновляемых видов энергии –  гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия –  характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями  широкого использования. Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует ещё один источник энергии – Солнце. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м². При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течении многих сотен лет [4].

     Доводы  противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:

1. Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.
2. Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.
3. Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может привести к большим затратам.
4. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
5. Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках.

     Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введём понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного излучения. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10%, для производства 10¹² Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями площадь 4×10¹° м², равную квадрату со стороной 200 км. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м², что соответствует типичному среднему значению в течении года для южных широт. Однако, в сравнении с гидроэнергетикой, которая выводит из пользования заметно большие участки земли, это не столь велико. То есть «низкая плотность» солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики [5].

       Существует два основных направления  в развитии солнечной энергетики: решение глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы; высокотемпературные и низкотемпературные [6].

     В преобразователях первого типа солнечные  лучи концентрируются на небольшом  участке, температура которого поднимается до 3000°С, такие установки уже существуют (Рис.1). Они используются, например, для плавки металлов.

     Самая многочисленная часть солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду (Рис.2), готовят пищу (Рис.3), обогревают дома и теплицы, а самое главное получают электроэнергию.

     Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 солнечных фотоэлектрических станций на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 (Рис.4) до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии.

     ФЭС на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу ФЭС.

     Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов ФЭС мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%.

     В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные ФЭС с аккумуляторами.

     Автономная солнечная установка у посёлка Гримзель даёт электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше её производственного корпуса в Мюнзингене (Рис.5), почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии [7].

     С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека. Крымская СЭС невелика – мощность  всего 5 МВт(Рис.6) [8].

    Нью-Йоркская компания Prism Solar Technologies разработала концепт солнечного модуля, который использует голограммы для фокусировки света (Рис.7.), что может сократить стоимость солнечных модулей на 75%. Это  
 

Рис.1. Большая солнечная печь (БСП) мощностью 1000 кВт НПО "Физика- Солнце" АН РУ, Ташкент.

Рис.2. Прачечная, использующая для работы солнечную энергию. 
 
 
 

Рис.3. Солнечная кухня. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.4. Солнечный модуль, мощностью 1 кВт. 
 
 
 
 
 

Рис.5. Солнечные панели, установленные на крыше производственного корпуса фирмы Biral в Мюнзингене. 
 
 
 
 
 
 

Рис.7. Солнечный модуль, который использует голограммы для фокусировки света. 
 
 
 
 
 
 
 
 

сделает вырабатываемое ими электричество конкурентоспособным в противостоянии с электричеством, вырабатываемым из ископаемого топлива. В настоящее время, достижением компании для получения преимущества в цене солнечных батарей (СБ), базирующихся на кремнии, является фокусировка солнечного света при помощи зеркал или линз, и таким образом сокращение общей площади кремния, необходимого для создания нужного количества электричества.      Обычные световые концентраторы являются довольно громоздкими и непривлекательными, а также они далеко не идеальны для установки на крышах пригородных домов. Новая технология заменяет неприглядные концентраторы аккуратными панелями. Рик Левандовски, президент и исполнительный директор компании говорит, что панели можно устанавливать на крыши и даже встраивать в окна и стеклянные двери.  Системе необходимо на 25-85% меньше кремния, чем в панели из кристаллического кремния сопоставимой мощности, потому что фотоэлектрическим материалом не нужно покрывать всю поверхность солнечной панели, говорит Левандовски. Вместо того, фотоэлектрический материал располагается в несколько рядов. Слой голограмм (созданная при помощи лазера структура, которая преломляет свет) направляет свет на слой стекла, где он продолжает отражаться от внутренней поверхности стекла до тех пор, пока не найдет свой путь к одному из участков фотоэлектрического кремния. Сокращение фотоэлектрического материала необходимо для снижения цены с, приблизительно, $4 за ватт до $1.50.   Компания собирается начать выпуск первого поколения своих модулей уже в конце этого года, продавая их по цене $2.40 за ватт. Последующие поколения модулей с более прогрессивной технологией должны будут сопутствовать дальнейшему снижению цены.      В своих способностях концентрировать свет голограммы не так мощны как обычные концентраторы. Они могут умножать количество света, падающего на ячейки на коэффициент 10, в то время как системы, базирующиеся на линзах, увеличивают этот коэффициент на 100, а некоторые даже на 1000 [9].         Ещё большие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500-1850 кВт×час/м².   Из сказанного выше следует вывод о перспективности фотоэлектрической солнечной энергетики. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится «под рукой» у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2.

Сборка  установки и техника  эксперимента. 

     2-1. Конструкция и сборка солнечных батарей на концентрированном излучении.

     Конструктивно установка представляет собой параллелепипедный  металлический каркас, на верхней  части которого закреплены линзы Френеля, а на нижней части сами СЭ (Рис.8). Размер основной части установки – 550×550×140 мм, площадь принимающей поверхности – 302500 мм² ≈ 0.3 м².

     Линзы Френеля представляют собой квадратные пластины из оргстекла, толщиной 3 мм. Линзы закреплены между собой плотно для минимизации потерь солнечного излучения и уменьшения площади и веса конструкции. Также это уменьшает ветровую нагрузку и конструкцию опорно-поворотного устройства (ОПУ). ОПУ оснащён системой слежения (СС), который обеспечивает автоматическое слежение за Солнцем по азимуту. Для точности перпендикулярного положения СБ к Солнцу по горизонту используется регулировочный болт, т.к. одним из основных критериев такой концентрирующей системы это перпендикулярность СБ к Солнцу.

     Поскольку концентрированное пятно излучения не должно выходить за пределы СЭ, необходимо обеспечить точное расположение СЭ на фокальном пятне. Здесь нужно решить несколько задач; параллельность СЭ и концентратора, расстояние между СЭ и концентратором, расположение СЭ на плоскости по отношению к концентратору. При решении этих задач мы воспользовались следующими способами. Чтобы найти расстояние между СЭ и концентратором, надо установить концентратор (в нашем случае линзы Френеля) перпендикулярно к Солнцу. К видимому спектру солнечного сконцентрированного излучения поднести СЭ так, чтобы сконцентрированное излучение охватывало всю поверхность СЭ, но при этом

Рис.8. Схема основной части конструкции: 1 – каркас из металлических уголков размером 20 мм; 2 – солнечный элемент; 3 – линзы Френеля.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

не выходило за пределы элемента. При этом параллельно замерять ток короткого замыкания (I_к.з.) СЭ. При максимальном I_к.з. замерить расстояние между СЭ и концентратором. Таким образом, замер расстояния корректируется видимым спектром солнечного сконцентрированного излучения и электрическими данными (т.е. I_к.з.) самого СЭ.

Для определения  положения СЭ относительно концентратора, надо полностью закрепить все  линзы на каркасе и использовать выше приведённый способ. А параллельность СЭ и линз достигается при сборке каркаса, т.к. если у каркаса все стороны параллельны, то и закреплённые на нём СЭ и концентраторы тоже будут параллельны.

     Технология  сборки установки состоит из следующих  этапов:                  1 – нахождение расстояния между  СЭ и концентратором; 2 – расчёт размеров каркаса; 3 – сборка каркаса; 4 – закрепление линз Френеля и СЭ на каркасе.

     Первый  этап сборки мы описали выше. При  расчёте размеров каркаса основными критериями были размер линз и расстояние между линзами и СЭ. Так для нахождения высоты каркаса необходимо сложить расстояние между линзами и СЭ на толщину подложки под СЭ плюс толщину самого СЭ. При сборке каркаса основным критериями являются жесткость, прочность и вес конструкции. При закреплении линз Френеля и СЭ основной критерий это уменьшение потери падающего солнечного излучения.

     Сама  установка (Рис.9) состоит из четырёх СЭ, четырёх линз Френеля, основания, на котором установлены СЭ и линзы, и опорно-поворотного устройства (ОПУ) со следящей системой.

     Следящая  система позволяет автоматически  следить за Солнцем от его восхода до заката. А ОПУ поворачивает СБ вслед за Солнцем по команде системы слежения.

     Линзы Френеля, установленные в верхней  части основания, фокусируют солнечное  излучение на СЭ, которые установлены  в нижней части основания. 

Рис.9. Общий вид установки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Всё основание закреплено на ОПУ при  помощи двух шарниров и регулировочного  болта, который обеспечивает положение  СБ перпендикулярно Солнцу.

     При сборке основания использовались металлические  уголки, закреплённые между собой  болтами, МДФ, закреплённый в нижней части основания как подложка для СЭ при помощи шурупов.

     СЭ  закреплены к подложке также шурупами. Под каждым из четырёх СЭ вырезаны отверстия для теплоотвода. Теплоотводами служат дюралюминиевые пластины и металлические уголки. Уголки закреплены с обратной стороны МДФ под отверстиями для теплоотвода. Между СЭ и уголками в отверстиях поставлены дюралюминиевые пластины, которые снимают тепло с СЭ. В свою очередь уголки снимают тепло с пластины. Таким образом, происходит теплоотвод.

     Линзы Френеля закреплены на основание клеем и металлическими уголками. Каждая линза представляет собой квадрат. Все установленные линзы представляют также квадрат. Поэтому уголки прижимают линзы только по сторонам этого квадрата. С остальных сторон линзы приклеены к основанию.

     Само  основание представляет собой параллелепипед. Рёбра этого параллелепипеда  металлические уголки размером 2x2 см. Общий размер основания 55x55x14 см. дюралюминиевые уголки, пропущенные накрест в верхней части основания и закреплённые на рёбрах основания, придают большую жёсткость и надёжность основания. Также они служат для закрепления линз.

     ОПУ состоит из опоры, с установленным приводом, и вала. Привод работает по команде системы слежения и питается от аккумулятора.

     Принцип работы линзы Френеля основан на преломлении падающего луча (Рис.10). Как видно на рисунке линзы Френеля составляют отдельные призмы специального профиля. Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Первые направляют световой поток в каком-либо одном

Рис.10. Принцип работы линзы Френеля: 1 – падающее излучение;                 2 – сфокусированное излучение; 3 – линзы Френеля; 4 – приёмник сфокусированного излучения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

направлении. Поясные линзы посылают свет от источника  по всем направлениям в определённой плоскости. В данной установке были использованы кольцевые линзы Френеля. Каждая призма преломляет на определённый градус, падающий луч, в сторону большого основания. Таким образом, падающее излучение, проходя через линзы Френеля, преломляются и собираются в одной точке, называемой фокусом линзы. При концентрации с помощью линз Френеля приёмник (в нашем случае СЭ) устанавливают не на фокусе, а ближе, при этом происходит расфокусировка и сконцентрированное излучение падает на всю поверхность приёмника. К сожалению, ни одна линза не может пропускать 100% проходящего света. В лучшем случае пропускная способность составляет 90-95%, но на практике эта цифра оказывается еще меньше. К тому же, концентраторы не могут фокусировать рассеянный солнечный свет, который составляет около 20% солнечного излучения в ясный день[10].       2-2. Приборы для замера оптических параметров СЭ и СБ.   Для замера оптических параметров СЭ и СБ в данной установке в основном использовались два прибора: заводской тестер – DT830B и эталлоный СЭ – образец №9 (Рис.11).      Образец №9 используется для определения интенсивности солнечного излучения на данный момент времени и при помощи градировочной кривой (Рис.12) для каждого СЭ, используемого в СБ определяются параметры СЭ и СБ. График градировочной кривой построен на принципе зависимости I_к.з. (mA) от интенсивности солнечного излучения (P, Вт/м^²). На графике по горизонтали нанесена шкала интенсивности, а по вертикали – шкала тока короткого замыкания. При определении интенсивности солнечного излучения нужно замерить I_к.з. образца №9 и по градировочной кривой определить мощность P (Вт/м²) это и будет интенсивностью солнечного излучения на данный момент времени.  

Рис.11. Образец №9: 1 – СЭ; 2 – контакты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.12. График градировочной кривой определения мощности светового излучения для образца №9. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.13. График градировочной кривой определения мощности светового излучения для образца №1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.14. График градировочной кривой определения мощности светового излучения для образца №19. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Так, например, при интенсивности солнечного излучения 800 Вт/м² ток, выделяемый образцом №9, будет равен 265 mA. А в образцах №1 (Рис.13) и №19 (Рис.14), используемые в данной установке, ток будет равен 284mA и 280mA соответственно. Т.е. оптические и электрофизические характеристики каждого СЭ отличаются друг от друга.

      Электрофизические параметры оказываются тесно  связанными с оптическими свойствами поверхности СЭ.

     2-3. Замер параметров  СЭ и СБ.

     Замер параметров производился в несколько этапов. В первую очередь при помощи образца №9 замеряли интенсивность солнечного излучения. Следующим этапом был замер I_к.з. каждого СЭ без концентрации и с концентрацией солнечного излучения. Третьим этапом был замер параметров СБ в разных соединениях СЭ – в последовательном, параллельном и параллельно-последовательном.

     При замере параметров СЭ с концентрацией  мы отметили разные показатели (Табл.1), которые зависят от оптических и  электрофизических свойств каждого  СЭ и от оптических свойств каждой линзы. При этом I_к.з. образца №9 была равна 0,174 A (без концентрации).

     Как видно, простым сложением в итоге  получаем общую мощность от четырёх  СЭ равную 1,74 Вт.

Таблица 1.

Показатели  СЭ с концентрацией.