Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Фотоэлектрические элементы

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ — Мегаобучалка

Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. Крупнейшая такая станция на сегодняшний день - это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в американском штате Калифорния. КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 10%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

ИСТОРИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия:

· В 1883 г. электрик из Нью-Йорка Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют КПД 1-2%. (светочувствительные элементы для фотоаппаратов до сих пор делают из селена).

· В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния.

· В 1954 г. в лаборатории компании "Bell Telephone" синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%.

· В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника "Авангард". Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов.

· Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации.

Рынок фотоэлементов

Современное состояние рынка фотоэлементов характеризуется достаточно стабильным ростом, порядка 20% в год, однако объемы производства фотоэлементов остаются довольно низкими. Производство модулей во всем мире в 1998 г. составило около 125 МВт, в то время как цена упала с 50 долларов за 1 ватт в 1976 г. до 5 долларов за 1 ватт в 1999 г. Тем не менее, киловатт-час электричества, выработанного фотоэлектрической системой, все еще дороже традиционной электроэнергии в 3-10 раз (в зависимости от конкретного местонахождения и вида системы). Таким образом, рынок фотоэлементов пока занимает небольшую нишу в мировой экономике. Но он продолжает стабильно расти в тех сегментах рынка, где фотоэлементы конкурентоспособны, например, в автономных, удаленных от электросети системах.

Во многих регионах мира прогресс весьма ощутим. Правительство Японии вкладывает 250 млн долларов в год в увеличение производственной мощности с 40 МВт (1997г.) до 190 МВт (2000г.). Европейские страны проводят собственные программы, стимулом к чему служит потребность в энергетической независимости и экологические соображения. Эти программы в сочетании с экологическими проблемами - такими, как изменение климата - способны значительно ускорить развитие этой отрасли. Компания "Shell Solar" построила в Германии крупнейший завод по производству фотоэлементов с годовым объемом производства в 10 МВт, который намечено довести до 25 МВт. Стоимость постройки завода -- 50 млн немецких марок.

Применение фотоэлементов

Солнечные фотоэлементы являются вполне реальной технически и экономически выгодной альтернативой ископаемому топливу в ряде применений. Солнечный элемент может напрямую превращать солнечное излучение в электричество без применения каких-либо движущихся механизмов. Благодаря этому, срок службы солнечных генераторов довольно продолжителен. Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали себя с самого начала промышленного применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры. В 1990-х предприятия энергоснабжения начали применять фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей.

Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т. д. Они работают в любую погоду. При переменной облачности они достигают 80% своей потенциальной производительности; в туманную погоду - около 50%, и даже при сплошной облачности они вырабатывают до 30% энергии.

В наше время можно найти не только фотоэлектрические панели. Разные фирмы предлагают фотоэлементы в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ. Эти новинки делают фотоэлементы экономически более привлекательными при включении их в состав строительных материалов. В отдаленных районах фотоэлектрические установки являются наиболее рентабельным, надежным и долговечным источником энергии. В некоторых регионах фотоэлементы повышают конкурентоспособность систем, подключенных к электросети. Однако главное - что и в отдаленных, и в подсоединенных к электросетям местностях фотоэлектрические системы вырабатывают чистую энергию, получение которой не сопровождается загрязнением окружающей среды, в отличие от привычных электростанций.

Насосные установки, работающие на солнечных фотоэлементах, эффективны и экономически выгодны в условиях практически любого применения водных насосов. Энергетические компании США обнаружили, что экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем обслуживать распределительные электрические линии, ведущие к удаленным насосам. Некоторые коммунальные предприятия предлагают насосные установки на фотоэлементах для выполнения заявок клиентов.

В сельских районах находится и другое применение фотоэлектрическим системам - зарядка и освещение электрических изгородей; обеспечение циркуляции воды, вентиляции, света и кондиционирования воздуха в теплицах и гидропонных сооружениях.

Фотоэлектрические модули снабжали электричеством воздушный шар "Breitling Orbiter 3" во время его беспосадочного полета вокруг земного шара. В течение трех недель в марте 1999 г. все оборудование на борту воздушного шара питалось от 20 модулей, подвешенных под корзиной. Каждый модуль был наклонен так, чтобы давать равномерный ток во время движения и заряжать пять аккумуляторов для навигационных приборов, питать систему спутниковой связи, обеспечивать освещение и нагрев воды. Все модули отлично работали на протяжении всего путешествия.

Фотоэлементы с успехом применяются для электрификации деревень. В наше время два миллиарда людей во всем мире живут без электричества. Большая часть из них - в развивающихся странах, где 75% населения не имеют доступа к электроэнергии. Удаленные деревни часто не подключены к сети.

Опыт показывает, что фотоэлементы служат экономически выгодным источником электричества для основных нужд, таких как:

· освещение;

· водозабор;

· средства связи;

· медицинские учреждения;

· местный бизнес.

Те, у кого нет доступа к электроэнергии из сети, часто пользуются ископаемыми видами топлива - керосином, дизельным топливом. С его использованием связан ряд проблем:

· Импорт ископаемого топлива истощает запас конвертируемой валюты в стране.

· Транспортировка топлива затрудняется отсутствием нормальной инфраструктуры.

· Обслуживание и ремонт генератора проблематичен из-за нехватки запасных частей.

· Генератор загрязняет окружающую среду выхлопами и создает сильный шум.

Электрическое освещение при помощи фотоэлементов более эффективно, чем керосиновые лампы, а установка фотоэлектрической системы обычно стоит дешевле, чем продление электросети. Более того, многие развивающиеся страны расположены в регионах с высоким уровнем солнечной радиации, то есть в изобилии располагают бесплатным источником энергии круглый год. Производство "солнечного электричества" просто и надежно, что доказывает опыт эксплуатации десятков тысяч фотоэлектрических систем во всем мире.

В ближайшие десятилетия значительная часть мирового населения познакомится с фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционная необходимость сооружения крупных дорогостоящих электростанций и распределительных систем. По мере того, как стоимость фотоэлементов будет снижаться, а технология - совершенствоваться, откроется несколько потенциально огромных рынков фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, встроенные в стройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение домов. Потребительские товары - от ручного инструмента до автомобилей - выиграют в качестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты. Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы применения фотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.

Европейский Союз поставил своей целью удвоить долю возобновляемых источников энергии к 2010 г. Одним из важных компонентов является производство 1 млн фотоэлектрических систем (500000 встроенных в крыши зданий и экспорт 500000 сельских систем) общей установленной мощностью 1 ГВт. Фирма "BP Amoco" (один из мировых лидеров продаж нефтепродуктов) собирается использовать солнечную энергию на 200 своих новых станциях обслуживания в Британии, Австралии, Германии, Австрии, Швейцарии, Нидерландах, Японии, Португалии, Испании, Франции и США. Программа стоимостью 50 млн долларов включает в себя применение 400 солнечных панелей, общей мощностью 3,5 МВт и снижение выбросов углекислого газа на 3500 тонн ежегодно. Благодаря этому проекту "BP Amoco" станет одним из крупнейших в мире потребителей солнечного электричества, а также одним из крупнейших производителей солнечных элементов и модулей. Солнечные панели будут вырабатывать больше электричества, чем нужно для освещения и водяных насосов, поэтому система будет подключена к сети. Днем излишек электроэнергии будет подаваться в сеть, а ночью из нее будет пополняться недостаток энергии. Мировой рынок фотоэлементов к 2010 году должен составить 1000 МВт, а к 2050 г. -- 5 млн МВт, если верить прогнозу президента компании "BP Solar".

ТЕХНОЛОГИЯ

Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярные промежутки времени. Именно этот тип электричества поставляют энергопроизводители, он используется для большинства современных приборов и электронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрических модулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Современное производство фотоэлементов практически полностью основано на кремнии. Около 80% всех модулей производится с использованием поли- или монокристаллического кремния, а остальные 20% используют аморфный кремний. Кристаллические фотоэлементы - наиболее распространенные, обычно они имеют синий цвет с отблеском. Аморфные, или некристаллические - гладкие на вид и меняют цвет в зависимости от угла зрения. Монокристаллический кремний имеет наилучшую эффективность (около 14%), но он дороже, чем поликристаллический, эффективность которого в среднем составляет 11%. Аморфный кремний широко применяется в небольших приборах, таких как часы и калькуляторы, но его эффективность и долгосрочная стабильность значительно ниже, поэтому он редко применяется в силовых установках.

В опытной разработке находятся несколько типов альтернативных тонкопленочных фотоэлементов, которые в будущем могут завоевать рынок. Наиболее отлаженными из исследуемых в настоящее время тонкопленочных систем являются фотоэлементы из следующих материалов:

· аморфный кремний (a-Si: H),

· теллурид/сульфид кадмия (CTS),

· медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид (CIS or CIGS), тонкопленочный кристаллический кремний (c-Si film),

· нанокристаллические сенсибилизированные красителем электрохимические фотоэлементы (nc-dye).

Фотоэлемент представляет собой "сэндвич" из кремния - второго по распространенности на Земле вещества. Девяносто девять процентов современных солнечных элементов изготавливают из кремния (Si), а остальные построены на том же принципе, что и кремниевые солнечные элементы. На один слой кремния наносится определенное вещество, благодаря которому образуется избыток электронов. Получается отрицательно заряженный ("N") слой. На другом слое создается недостаток электронов, он становится положительно заряженным ("P"). Собранные вместе с проводниками, эти две поверхности образуют светочувствительный электронно-дырочный переход. Он называется полупроводником, так как, в отличие от электропровода, проводит ток только в одном направлении - от отрицательного к положительному. При воздействии солнца или другого интенсивного источника света возникает постоянный ток напряжением примерно в 0,5 Вольт. Сила тока (ампер) пропорциональна световой энергии (количеству фотонов). В любой фотоэлектрической системе напряжение почти постоянно, а ток пропорционален размеру фотоэлементов и интенсивности света.

Фотоэлементы производятся из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с некоторыми другими веществами. Сверхчистая кремниевая подложка, из которой делают фотоэлементы, стоит очень дорого. Количества сверхчистого кремния, необходимого для изготовления одного фотоэлектрического модуля мощностью 50 Вт, было бы достаточно для интегральных схем примерно двух тысяч компьютеров. Кроме того, в фотоэлементах присутствуют алюминий, стекло и пластмасса - недорогие и многократно используемые материалы.

СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ

uacom/images/stories/raznoe/drugie-ist-energii/solnce/pvpanel109.jpg" />Солнечный модуль - это батарея взаимосвязанных солнечных элементов, заключенных под стеклянной крышкой. Чем интенсивнее свет, падающий на фотоэлементы и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается электричества и тем больше сила тока. Модули классифицируются по пиковой мощности в ваттах (Втп). Ватт - единица измерения мощности. Один пиковый ватт - техническая характеристика, которая указывает на значение мощности установки в определенных условиях, т.е. когда солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25 оC. Такая интенсивность достигается при хороших погодных условиях и Солнце в зените. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10 x 10 см. Более крупные модули, площадью 1 м x 40 см, вырабатывают около 40-50 Втп. Однако солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/м2. Более того, на солнце модуль нагревается значительно выше номинальной температуры. Оба эти фактора снижают производительность модуля. В типичных условиях средняя производительность составляет около 6 Вт·ч в день и 2000 Вт·ч в год на 1 Втп. 5 ватт-час - это количество энергии, потребляемое 50-ваттной лампочкой в течение 6 минут (50 Вт x 0,1 ч = 5 Вт·ч) или портативным радиоприемником в течение часа (5 Вт x 1 ч = 5 Вт·ч).

Хотя качество продукции не всегда одинаково, большинство международных компаний производят достаточно надежные фотоэлектрические модули со сроком эксплуатации до 20 лет. На сегодняшний день производители модулей гарантируют указанную мощность на период до 10 лет. Решающим критерием для сравнения разных типов модулей является цена 1 ватта пиковой мощности. Другими словами, можно получить больше электроэнергии за те же деньги, используя модуль ценой 569 долларов с пиковой мощностью 120 Втп (4,74 доллара за 1 Втп), чем с помощью "дешевого" модуля мощностью 90 Втп , который стоит 489 долларов (5,43 доллара за 1 Втп). Номинальный КПД менее важен при выборе системы.

ПРЕИМУЩЕСТВА

Высокая надежностьФотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

Низкие текущие расходыФотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.

ЭкологичностьПоскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Эта их особенность чрезвычайно полезна там, где единственной альтернативой для получения света и электропитания являются дизель-генераторы и керосиновые лампы.

МодульностьФотоэлектрическую систему можно довести до любого размера. Владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии. По мере возрастания энергопотребления и финансовых возможностей, домовладелец может каждые несколько лет добавлять модули. Фермеры могут обеспечивать скот питьевой водой при помощи передвижных насосных систем.

Низкие затраты на строительствоРазмещают фотоэлектрические системы обычно близко к потребителю, а значит, линии электропередачи не нужно тянуть на дальние расстояния, как в случае подключения к линиям электропередач. Вдобавок, не нужен понижающий трансформатор. Меньше проводов означает низкие затраты и более короткий период установки.

megaobuchalka.ru

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций.

• Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.• Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.• Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Применение

Практическое применение фотоэлементов идет по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
На станке для плазменной резки металла элементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.

Похожие темы:

electrosam.ru

Фотоэлектрические элементы - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Фотоэлектрические элементы

Cтраница 1

Фотоэлектрические элементы из кремния или сульфида кадмия, преобразующие солнечное излучение непосредственно в электричество. [1]

Фотоэлектрические элементы иногда применяются для измерения интенсивности света, но показания фотоэлектрического элемента отнюдь не остаются независимыми от длины волны. Поэтому они не могут быть откалибро-ваны прямо или косвенно при помощи закона Стефана. Однако если термопара надлежащим образом откалибрована и показания ее оказались независимыми от длины волны и если затем воспользоваться источником монохроматического излучения, то показания в цепи термопара-гальванометр можно сравнивать с показаниями в цепи фотоэлектрического элемента. [2]

Фотоэлектрические элементы превращают падающий на них свет в электрический ток. Между интенсивностью света и силой возникающего в фотоэлектрическом элементе тока существует зависимость: / / сх; коэффициент к зависит от длины волны света. [3]

Фотоэлектрические элементы из кремния или сульфида кадмия, преобразующие солнечное излучение непосредственно в электричество. [4]

Фотоэлектрические элементы превращают падающий на них свет в электрический ток. Между интенсивностью света и силой возникающего в фотоэлектрическом элементе тока существует зависимость: 1к 1; коэффициент кх зависит от длины волны света. [5]

Фотоэлектрические элементы превращают падающий на них свет в электрический ток. [6]

Вентильные фотоэлектрические элементы ( оптроны), так же как фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектами ( см. стр. Принцип действия вентильных фотоэлементов состоит в следующем. Если на железную или алюминиевую пластинку нанести слой полупроводника ( селена, сернистого таллия, сернистого серебра), а затем тонкий полупрозрачный слой золота, то на границе между полупроводником и золотом образуется запирающий слой. [7]

Применяются также и фотоэлектрические элементы. [9]

К счастью, существуют фотоэлектрические элементы, чувствительные к невидимым для нас лучам. [11]

К полуавтономным источникам относятся аккумуляторы, фотоэлектрические элементы и батареи, термоэлектрические генераторы, а также преобразователи низкого постоянного напряжения в высокое. [12]

Фотоумножители 220 Фотоусилители 221 Фотоэлектрические методы 219 Фотоэлектрические элементы 220 Фотоэмиссионные элементы 220 Фракционирование 140 Фронтальный анализ 141, 148, 149 о - Фталевая кислота 28 Фталеинкомплексон 28, 336, 814 Фталеины 335 Фтор 27, 880 ел. [13]

Для измерения энергии излучения, также могут быть использованы фотоэлектрические элементы. Этот тип прибора был использован Мюллером [74] при исследовании платиновых сплавов, но, к сожалению, условия абсолютно черного тела в этой работе не были достигнуты. Фотоэлектрический элемент может быть использован также без цветного фильтра; получаемая в этом случае зависимость между реакцией прибора и температурой источника излучения имеет эмпирический характер и не основана прямо на установленных законах излучения. [15]

Страницы: 1 2

www.ngpedia.ru

Фотоэлектрические элементы. Создаем робота-андроида своими руками [litres]

Фотоэлектрические элементы

Фотоэлектрические элементы, известные обычно как солнечные элементы, вырабатывают электрическую энергию под действием солнечного света. Стандартные солнечные элементы являются крайне маломощными: при разности потенциалов порядка 0,7 В они дают ток в несколько миллиампер. Для получения приемлемого уровня мощности элементы соединяют вместе в солнечные панели (батареи). В робототехнике для обеспечения непосредственного питания роботов используют последовательное и параллельное соединение солнечных элементов.

Чтобы обеспечить функционирование робота от солнечных батарей, его размеры должны быть минимальны при сохранении необходимого спектра функций. Соответственно, должны использоваться легкие и высокопрочные материалы и электронные схемы, потребляющие незначительную энергию.

Чем меньше вес конструкции и потребление электрической энергии, тем более перспективным представляется использование солнечных батарей. Однако небольшой вес и экономичное энергопотребление являются важными при изготовлении любого робота. Такие легкие, маломощные роботы способны проработать дольше при заданной емкости источника питания, чем их более тяжелые и энергетически «прожорливые» собратья.

Солнечные элементы могут служить для робота источником вторичного электропитания, подзаряжая его аккумуляторы. Такой комбинированный источник питания снижает требования к мощности солнечных элементов по сравнению с непосредственным питанием робота от солнечных батарей. Однако в этом случае робот будет активно функционировать только часть времени, а в остальное подзаряжать свои аккумуляторы.

Также мы можем использовать солнечные элементы комбинированно: как источники непосредственного и вторичного питания. Мы попробуем изготовить устройство, которое обычно называют солнечным двигателем. Функциональная схема очень проста. Основными компонентами ее являются: солнечная батарея, накопительный конденсатор и триггерная схема. Солнечная батарея под действием света начинает заряжать накопительный конденсатор большой емкости. Система «батарея/конденсатор» обеспечивают электроэнергией остальную часть схемы. По мере заряда конденсатора напряжение на нем возрастает и в какой-то момент начинает превышать заданный порог срабатывания триггерной схемы. Как только триггер сработал – конденсатор начинает разряжаться через основную нагрузку. Затем цикл повторяется. Устройства типа солнечного двигателя могут быть использованы в различных робототехнических конструкциях.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

поколения фотоэлементов | Блог SolarSoul

Фотоэлементы являются ключевым звеном в создании солнечных батарей. Как правило, солнечные батареи состоят из кремния с различной степенью кристаллизации. Поэтому, глядя на отдельные ячейки фотоэлементов солнечной батареи можно увидеть, что они имеют различные цвета и оттенки. Некоторые элементы имеют расцветки от темно-синего до черного, другие, голубые с частичками кристаллов и т.д. Цвет ячейки зависит от технологии производства и используемого материала.

Строение стандартного фотоэлемента

Фотоэлементы, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов соединенных между собой, образуя потенциальный барьер. Их работа основана на явлении p-n перехода возникающего под воздействием солнечного излучения. Фотоны, попадая на фотоэлемент в зону полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, «выбивает» электроны, которые начинают движение к зоне N, а затем пройдя через цепь (нагрузку) связываются с положительными зарядами (дырками). В результате движения электронов образуется разность потенциалов, или напряжение.Монокристаллический фотоэлемент состоит из цельного кристалла кремня. Он характеризуется высокой эффективностью, как правило, 18-22%, и высокой ценой. Он имеет характерный темный цвет.

Фотоэлемент из монокристаллического кремния

Солнечная батарея на основе монокристаллических фотоэлементов

Фотоэлементы из поликристаллического кремния. Производство поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Эти элементы характеризуются эффективностью в диапазоне 14-18%. Меньшее значение КПД объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов. Однако цена таких элементов ниже. Обычно поликристаллические фотоэлементы обладают синим цветом с четко выраженными кристаллами кремния.

Фотоэлементы из поликристаллического кремния

Фотоэлементы из аморфного кремния представляют собой тончайшие слои кремния, полученные путем напыления в вакууме на стекло, пластик или фольгу из высококачественного металла. Эти элементы характеризуются низкой эффективностью в диапазоне 6-10% и значительно низшей ценой. Обычно такие солнечные элементы имеют блекло сероватый цвет, видимые кристаллы кремня отсутствуют.

Фотоэлементы из аморфного кремния

Образ кремниевого фотоэлемента это первое что приходит на ум большинству людей при упоминании слова солнечная батарея. Это объясняется тем, что несколько лет назад кремний, как сырье для фотоэлектрической индустрии, составлял почти 100% рынка. Сегодня ситуация значительно изменилась. Кремний, как строительный блок солнечной батареи все больше уступает место на рынке новым технологиям называемым«тонкопленочные солнечные ячейки». В данной технологии фотоэлементы изготавливаются из очень тонкого слоя полупроводника. Есть более прогрессивные технологии, полностью лишенные классических полупроводников.

Чтобы классифицировать эти технологии ввели понятие поколения фотоэлементов

Первое поколение фотоэлементов это классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом, которые большинство из нас подразумевает под словом солнечные фотоэлементы. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В настоящее время доля рынка около 82%.

Второе поколение фотоэлементов так же основывается на использовании p-n перехода, однако не используют кристаллический кремний как основной материал. Обычно используются следующие материалы: теллурий, кадмий (CdTe), смесь меди, индия, галлия, селен (CIGS) и аморфный кремний. Как правило, толщина поглощающего свет слоя полупроводника составляет всего от 1 до 3 мкм. Процесс производства таких фотоэлементов более автоматизирован и имеет значительно меньшую себестоимость. Основным недостатком второго поколения элементов является меньшая эффективность, чем элементы первого поколения, которая колеблется в зависимости от технологии от 7-15%. В настоящее время доля рынка около 18%.

Панель на основе тэллурид-кадмий фотоэлементов

Третье поколение фотоэлементов также относятся к тонкопленочным технологиям, однако они лишены привычного понятия p-n перехода, следовательно и использования полупроводников. В настоящее время это поколение включает в себя разнообразные технологии, такие как перовскитовые солнечные элементы и другие. Большинство технологий основаны на применении органических полимерных материалов.

Преимуществом фотоэлементов третьего поколения является низкая себестоимость и простота изготовления. Главным препятствием на пути популяризации является низкая эффективность, которая не превышает 7%. %. В настоящее время рыночная доля третьего поколения элементов не превышает 0,5%

Солнечная панель третьего поколения

Стоит отметить, что основная тенденция развития поколений солнечных фотоэлементов заключается в снижении себестоимости энергии иногда в ущерб эффективности. Однако это должно привести к значительному удешевлению удельной мощности. Покажем схематически основные этапы в развитии фотоэлектрических модулей.

Развитие поколений фотоэлементов

solarsoul.net

Фотоэлектрические модули (ФЭМ) - Солнечные батареи

Основным компонентом для построения фотоэлектрических систем (ФЭС) являются фотоэлектрические модули (ФЭМ).

Кристаллический кремний — это основная форма, в которой используется кремний при производстве фотоэлектрических преобразователей и твердотельных электронных приборов методами планарной технологии. Активно развивается использование кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.

Кристаллический кремний производится путём перекристаллизации поликристаллического кремния не смешанного либо смешанного в той или иной пропорции с кристаллическим кремнием. Перекристаллизация производится одним из известных способов. Наиболее распространёнными являются метод Чохральского, метод направленной кристаллизации расплава в тигле. В меньшей мере для получения наиболее чистых кристаллов с максимальным удельным электрическим сопротивлением и временем жизни неосновных носителей заряда используется метод зонной плавки.

В зависимости от способа перекристаллизации различают:

1. кремний монокристаллический — цилиндрические слитки кремния моно- и поликристаллической структуры с диаметром до 400 мм, полученные методом Чохральского;

2. кремний монокристаллический бестигельный — цилиндрические слитки кремния монокристаллической структуры с диаметром до 150 мм, полученные методом бестигельной зонной плавки;

3. поликристаллический кремний — прямоугольные блоки, получаемые в больших тиглях (контейнерах) прямоугольной формы методом направленной кристаллизации. При кристаллизации температура расплава кремния в тигле (контейнере) по высоте постепенно понижается, тем самым кристаллиты растут в одном направлении, постепенно разрастаясь и вытесняя более мелкие кристаллиты. Размер зерна поликристалла выращенного таким образом может достигать в сечении перпендикулярном направлению роста 5-10 мм. Получившиеся блоки обрезают для удаления краевых участков, содержащих частицы тигля-футеровки, а полученный блок разрезают на призмы квадратного сечения с размерами 100х100 мм, 125х125 мм, 150х150 мм, 170х170 мм, 200х200 мм в зависимости от используемой технологии.

КПД фотоэлектрических установок на основе кристаллического кремния в настоящее время составляет около 14%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более. Различие между моно-, поликристаллической и аморфной формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные ФЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у фотоэлементов на основе аморфного кремния.

В ФЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает ФЭ характерный синий оттенок.

Простейшей солнечной батареей является цепочка из последовательно соединенных элементов. Можно соединить эти цепочки параллельно, получив так называемое последовательно-параллельное соединение. Параллельно можно соединять лишь цепочки (линейки) с идентичным напряжением, при этом их токи согласно закону Кирхгофа суммируются.

Электрические параметры солнечного фотоэлектрического модуля представляются как и отдельного солнечного элемента в виде вольтамперной кривой при стандартных условиях (Standart Test Conditions), т.е., при солнечной радиации 1000 Вт/м2, температуре 25оС и солнечном спектре на широте 45о(АМ1,5).

Солнечный модуль выполнен в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля (либо на пластиковой основе). Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты, с тыльной стороны которой между двумя слоями герметизирующей (ламинирующей), пленки размещены солнечные элементы, электрически соединенные между собой металлическими шинами. Нижний слой герметизирующей пленки защищен от внешних воздействий слоем защитной пленки. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен блок терминалов, предназначенные для подключения модуля.

Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами, и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ)

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0,6В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.

Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший.

Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получим ВАХ изображенную на рис.2

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25оС (для кремния) он теряет в напряжении 0,0021В каждый, т.е. 0,4 %/градус. На рис.3 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25оС и 60оС.

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70оС теряя 0,07-0,09В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого модулем.

Уменьшение температуры солнечного элемета относительно идеальной 25оС приводит к увеличению напряжения.

Изменение напряжения фотоэлектрического модуля можно высчитать по формуле:

ϫU=0,0021ϫТN,

где 0,0021 - температурный коэффициент;

ϫТ = Т-25, Т – температура элемента;

N– количество элементов.

Точка пересечения кривой с осью напряжений называется напряжением холостого хода - Uxx, точка пересечения с осью токов – током короткого замыкания Iкз.

Максимальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC (Standart Test Conditions).

Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением - Up), а соответствующий ток - током максимальной мощности (рабочим током - Ip).

Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, таким образом, будет около 16…17В при 25оС.

Такой запас по напряжению по сравнению с напряжением полного заряда аккумулятора (14,4 В) необходим для того, чтобы компенсировать потери в контроллере заряда-разряда АКБ. Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности.

Таким образом, при нагреве в реальных условиях работы, модули разогреваются до температуры 60-70оС, что соответствует смещению точки рабочего напряжения, к примеру, для модуля с рабочим напряжением 17В - со значения 17В до 13,7-14,4В (0,38-0,4 В на элемент).

Выбрать фотоэлектрический модуль вы можете в разделе нашего магазина

solarmir.ru

Что такое фотоэлемент и где его применяют

Содержание:

Понятие фотоэлемента
Принцип работы фотоэлемента
Из чего делают фотоэлементы?
Как выбрать фотоэлемент

Если вы активно используете всевозможные электронные электроприборы, которые подарил нам прогресс, наверняка, вы замечали, как увеличиваются ваши расходы на оплату электроэнергии с покупкой очередного такого прибора. Неудивительно, что каждого в таком случае посещают мысли о возможных вариантах экономии, тем более, в условиях нестабильной экономической ситуации в стране. И в этом вам поможет, как никто другой, фотоэлемент. Использовать его можно при уличном освещении, потому это, скорее, вариант для владельцев частных домовладений. Закономерно возникает вопрос: а что такое фотоэлемент и как он работает? Давайте разбираться.

Понятие фотоэлемента

Фотоэлемент - это прибор, который приходит в действие от солнечной энергии. При попадании на него солнечных лучей, в нем образуется фотоэдс - электродвижущая сила. Существует два вида: электровакуумный и полупроводниковый фотоэлемент.

Принцип работы фотоэлемента

фотоэлемент

Важнейшая деталь фотоэлемента - фотореле, которое приводит в действие весь механизм. Когда реле контролирует функционирование осветительного прибора, можно получить максимальную экономию. Состоит фотоэлемент из двух частей, обладающих разной проводимостью. К этим частям присоединяют контакты для использования их во внешней цепи. Именно на них и подается напряжение, преобразовываясь в электрический ток.

Световая энергия в фотоэлементе трансформируется в электроэнергию.

Выбирая в магазине фотоэлемент, вы можете заметить, что существует множество приборов, которые будут отличаться мощностью и предназначением. Вмонтировать их можно на стены, фонарные столбы и т.п. Места они займут совсем немного.

Из чего делают фотоэлементы?

Основным материалом, из которого их изготавливают, остается кремний. Первыми попробовали использовать при производстве фотоэлементов кремний в лаборатории компании Bell Telephone. Там был создан первый такой прибор. И хоть компания искала исключительно источник энергии для своих телефонных станций в качестве альтернативного источника солнечной энергии, по теперешнее время кремний используется остальными производителями в производстве фотоэлементов. К тому же, этому способствует тот факт, что материал кремний очень распространен на планете и его запасы велики. Сложность состоит только в процессе его очищения. Очистка обходится дорого, потому встретить чистый кремний не так легко. Поэтому компании в данный момент пытаются найти альтернативу, которая бы не уступила кремнию по коэффициенту полезного действия.

Из чего делают фотоэлементы

Как выбрать фотоэлемент

При его выборе, можно сэкономить уже на самой покупке. Для этого покупайте модель, которая рассчитана на такую мощность, которая потребляется вашей лампой. Довольно часто лампы уже идут в комплекте с фотоэлементами, что существенно облегчит ваш выбор.

фотоэлемент

Перед тем, как сделать покупку, просчитайте нагрузку и определите, при каком режиме вы собираетесь эксплуатировать фотоэлемент. Также учитывайте такие факторы, как погодные условия вашего региона и влажность воздуха. Перечисленные выше факторы определят длительность использования прибора, а также качество выдаваемого им освещения.

Заходите к нам на портал и мы научим вас экономить.

Подписаться на рассылку

ekobatarei.ru