Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.



















TkA

UIUIUIP

HHФHH

exp

(2.3)

В режимах короткого замыкания и холостого хода Р = 0,

поскольку либо U

, либо I

равны нулю.

Для производства фотоэлементов наиболее эффективно

применение монокристаллического кремния. Однако процесс

его получения очень технологически сложный и дорогостоящий.

Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как

сплавы на основе аморфного кремния ( - Si:H), арсенид галлия

и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступает в качестве более дешевой

альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе

были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного

кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для

существенного поглощения видимого света достаточно пленки

-Si:Н толщиной 0,5÷1,0 мкм вместо дорогостоящих

кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря

существующим технологиям получения тонких пленок

аморфного кремния большой площади не требуется операции

резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе

монокристаллического кремния. По сравнению с

поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на

основе -Si:Н производят при более низких температурах

(300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки,

что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов

на основе -Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических

кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием

технологии КПД элементов на основе -Si:Н достигнет

теоретического потолка – 16 %.

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных

материалов для создания высокоэффективных солнечных

батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

 почти идеальная для однопереходных солнечных

элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

 повышенная способность к поглощению солнечного

излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

 высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой

эффективностью делает этот материал чрезвычайно

привлекательным для использования в космических аппаратах;

 относительная нечувствительность к нагреву батарей на

основе GaAs;

 характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком,

фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что

расширяет возможности при проектировании солнечных

элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его

основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ.

Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких

слоев различного состава. Это позволяет разработчику с

большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что

в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым

уровнем легирования. Основной недостаток арсенида галлия –

высокая стоимость. Для удешевления производства

предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках;

выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках

многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма

перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока

способность к поглощению солнечного излучения у диселенида

меди и индия (CuInSe

) – 99 % света поглощается в первом

микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ).

Наиболее распространенным материалом для изготовления окна

солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для

улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют

цинк. Немного галлия в слое CuInSe

увеличивает ширину

запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого

хода и, следовательно, повышению эффективности устройства.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный

материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина

запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к

поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в

изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать

разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для

создания слоев с заданными свойствами. Подобно CuInSe

наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с

CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как

прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная

проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление

слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но

она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe.

Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей

заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими

значениями КПД, от 10 до 16%.

Среди солнечных элементов особое место занимают

батареи, использующие органические материалы. Коэффициент

полезного действия солнечных элементов на основе диоксида

титана, покрытого органическим красителем, весьма высок

~11%. Основа солнечны элементов данного типа –

широкозонный полупроводник, обычно TiO

, покрытый

монослоем органического красителя. Принцип работы элемента

основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции

электрона в зону проводимости TiO

. При этом молекула

красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и

на платиновом электроде происходит восстановление трииодида

до иодида. Затем иодид проходит через электролит к

фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Начиная с 70-х годов правительства индустриальных стран

израсходовали биллион долларов на разработки

фотоэлектрических преобразователей. За последние 10 лет

стоимость фотоэлектрических преобразователей снижалась и в

1993 г. достигла 3,5÷4,75 дол/Вт, а стоимость получаемой

энергии 25÷40 центов/(кВт/ч). Мировой объем производства с

6,5 МВт в 1980 г. увеличился до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г.

составил более 60 МВт.

Наилучшим примером использования таких систем

является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют

фотоэлектрические установки, сконструированные в последние

9 лет. Стоимость такой установки 2 тыс. дол.

В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол на

электрификацию 60 тыс. домов с помощью фотосистем.

Стоимость установки мощностью 50 Вт, включающая

фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею,

составляет 500 дол.

Для успешного внедрения фотосистем их удельная

стоимость должна быть снижена в 3-5 раз прежде, чем появятся

крупные энергосистемы.

2.2 Термоэлектрические генераторы (ТЭГ)

ТЭГ являются устройствами прямого преобразования те-

плоты в электроэнергию при помощи термоэлементов, между

спаями которых поддерживается перепад температур. Они

предназначены для «малой» энергетики и используются для

автономного энерго- и теплоснабжения различных наземных,

морских и космических объектов, где применение тра-

диционных источников тока не представляется возможным или

экономически нецелесообразно.

ТЭГ включает в себя систему подвода теплоты,

термоэлектрическую батарею (ТЭБ) с теплоконтактной

электроизоляцией и систему отвода теплоты. Теплота внешнего

источника (пламя горелки, радионуклид, ТВЭЛ, водяной пар и

др.) подводится к горячему теплоприемнику или теплопроводу,

на наружной поверхности которого установлена полу-

проводниковая термобатарея (низко-, средне-, вы-

сокотемпературная, каскадная), состоящая из множества ветвей

р- и n-типа проводимости. Последовательно-параллельное

соединение ветвей (прямоугольных, цилиндрических,

радиально-кольцевых) осуществляется коммутационными

шинами (алюминий, медь) методом пайки, прессования, диффу-

зионной сварки, плазменного напыления или механическим

прижимом. Спаи ТЭБ изолированы от горячего теплопровода и

холодного корпуса электроизоляционными пластинами

(оксидная керамика, слюда и др.). В некоторых генераторах для

повышения надежности дополнительно устанавливается горячая

охранная изоляция (плазменное напыление). Для защиты от

окисления ТЭБ либо размещается в герметичном чехле,

заполненном аргоном или азотом, либо покрывается

антисублимационной эмалью, либо запрессовывается в матрицу

из диэлектрического материала (слюда, полиамид и др.). Отвод

теплоты от холодных спаев ТЭБ осуществляется серебренным

холодным радиатором или хладагентом (вода, антифриз и др.).

Конструкция генератора стягивается в пакет при помощи пло-

ских или тарельчатых пружин, что позволяет обеспечить

качественный тепловой контакт и высокую стойкость к

термоциклированию (нагрев — охлаждение).

Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких

микроватт до нескольких десятков киловатт, КПД

преобразования — от 2 до 10 %, срок службы — от 1 до 25 лет,

стоимость установленной мощности — от 12 до 190 дол/Вт.

Простейший полупроводниковый ТЭГ состоит из двух

частей термоэлектрических материалов дырочной (р-тип) и

электронной (n-тип) проводимости, соединенных

коммутационными шинами и замкнутых на внешнее

сопротивление r

(рис.2.3).

При наличии перепада температур Т = Т

- Т

между

противоположными спаями в замкнутой электрической цепи

протекает постоянный ток I. Часть подводимого к горячим

спаям теплового потока Q

преобразуется в электрическую

мощность N

эл

, а остальная часть Q

отводится от его холодных

спаев.

1,2 — коммутационные шины; Qг , Qх

— подводимый и отводимый тепловой

поток; Т

, Т

— температуры горячего и

холодного спаев;  — высота ветвей; I,

— ток и сопротивление нагрузки.

Рисунок 2.3 - Схема ТЭГ

Основными параметрами ТЭГ являются ЭДС Е, ток I,

напряжение U, внутреннее сопротивление r, сопротивление

внешней нагрузки r

, нагрузочный коэффициент т, электрическая

мощности N

эл

и коэффициент полезного действия :

( ) ;

;

( 1)

;

1 1

г х

Е Т Т Т

r E U

E Т

r r r m

т Тт

U Ir Е

т т

 



   

 





 

 



  

 

(2.4)

2 2 2

;

( 1) ( 1) 1 ( 1)

эл

E Em E m T m

N IU

r m m r m r m

С Т









   

   

 

(2.5)

где

; /

( 1)

C Z Z

K m



  

 



- коэффициент

добротности;

 - коэффициент термо-ЭДС;

 - удельная электрическая проводимость;



- теплопроводность;

( 1)

cp r

T mT

K Z



 



- коэффициент термопроводности.

Широкое практическое применение в отечественных и

зарубежных ТЭГ нашли следующие термоэлектрические

материалы, которые условно делятся на три группы:

низкотемпературные материалы (0÷300 °С). К ним

относятся халькогениды висмута и сурьмы Вi

(Те, Sе)

(n-тип) и

(Sb, Вi)

Те

(р-тип);

среднетемпературные материалы (300÷600 °С) К ним

относятся теллуриды свинца РbTе (п- и р-тип), теллуриды

германия GеТе (р-тип) и теллурид олова SnТе (р-тип);

высокотемпературные материалы (600 °С и выше). К ним

относятся сплавы кремния с германием SiGe (п- и р-тип).

Термогенераторы на органическом топливе. Такие ТЭГ

нашли наибольшее практическое применение для электро- и

теплоснабжения автономных объектов в нефтегазовой

промышленности, метеорологии, навигации, сельском хозяйстве,

армии и быту. В качестве источника теплоты в них используются

продукты сгорания твердого (уголь, дрова, брикеты),

газообразного (метан, пропан, пропан-бутан) и жидкого (бензин,

керосин, дизельное) топлива.

С середины 70-х годов по настоящее время на

магистральных газопроводах России успешно эксплуатируются

свыше 12 тыс. газовых низкотемпературных ТЭГ первого

поколения (УГМ-80, УГМ-80М) и двухкаскадных ТЭГ второго

поколения (ГТГ-150) с инфракрасными горелками мощностью

80÷150 Вт, разработанных НПО «Квант» и серийно

выпускаемых ОАО «Позит».

Низкотемпературные генераторы с каталитическими

горелками мощностью от 10 до 90 Вт серийно выпускаются в

России НПП БИАПОС и в США.

На базе генераторов ГТГ-150 и ГТЖ-160 АО

«Саратовгазавтоматика» в начале 90-х годов освоило серийный

выпуск автономных источников питания (АИП) мощностью

400, 750 и 900 Вт напряжением 27 В. За рубежом аналогичные

АИП с ТЭГ на газовом топливе созданы в Канаде и в Японии.

2.3 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

(РИТЭГ)

В качестве источника теплоты в них используется энергия

распада ядер радионуклидов (радиоизотопов), происходящего по

экспоненциальному закону независимо от любых внешних

условий. РИТЭГ отличаются простотой конструкции и

эксплуатации, высокой надежностью и длительным сроком

службы.

С начала 60-х годов только в СССР было разработано около

тысячи низкотемпературных, каскадных и высокотемпературных

РИТЭГ суммарной электрической мощностью более 10 кВт. Общая

наработка их составила более 30 млн. ч с максимальной

наработкой одного изделия более 100 тыс. ч. В Англии, Франции,

Германии также созданы низко- и высокотемпературные РИТЭГ

различного применения на элементах

Sr,

238

Рu,

242

Сm мощностью

от 4 до 125 Вт.

Реакторные термогенераторы (РТЭГ). Требуемые

уровни электрической мощности ТЭГ — от единиц до

нескольких сотен и тысяч киловатт — могут быть обеспечены

только в сочетании с ядерными реакторами (ЯР) в качестве

источника теплоты.

По способу теплопередачи от ЯР к горячим спаям РТЭГ

можно разделить на три типа:

 вынесенные, в которых ТЭГ размещен вне ЯР, а

теплопередача осуществляется циркулирующими

теплоносителями (вода, жидкий металл);

 встроенные, в которых ЯР и ТЭГ совмещены в

едином блоке, ТЭБ размещены на оболочках твэлов или на

отражателе, а теплопередача осуществляется

теплопроводностью;

 промежуточные, в которых отвод теплоты от ЯР к

ТЭГ осуществляется тепловыми трубами (ТТ).

Отвод теплоты холодных спаев ТЭГ всех типов

осуществляется хладагентом (вода, жидкий металл) или

излучением.

Начиная с 60-х годов по настоящее время созданы и

опробованы в эксплуатации ряд уникальных ядерных

термоэлектрических энергоустановок для космических и

наземных объектов.

2.3 Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП)

ТЭП — устройство для преобразования тепловой энергия

в электрическую, состоящее из двух металлических электродов

(эмиттера и коллектора), разделенных межэлектродным зазором

(МЭЗ) и соединенных внешней электрической цепью,

содержащей нагрузку. Эмиттер ТЭП нагревается источником

теплоты, коллектор присоединяется к охлаждающему

устройству, что создает разность температур электродов ТЭП.

Термодинамическим рабочим телом ТЭП являются электроны.

Основные процессы в ТЭП: термоэлектронная эмиссия с

уровня Ферми эмиттера в МЭЗ, перенос электронов через МЭЗ,

конденсация электронов на уровень Ферми коллектора с

выделением теплоты конденсации, перенос электронов через

внешнюю цепь. В этих процессах происходит трансформация

кинетической энергии электронов эмиттера в потенциальную во

внутреннем электрическом поле преобразователя.

Потенциальная энергия электронов во внешней цепи

преобразуется в полезную работу. Не преобразованная в

полезную работу теплота конденсации отводится в

охлаждающее устройство при нижней температуре

термодинамического цикла.

Классификация ТЭП отражает варианты реализации МЭЗ

и электродов, а также механизмы переноса носителей тока через

МЭЗ.

Вакуумный ТЭП. В МЭЗ высокий вакуум. Перенос

электронов сопровождается образованием в МЭЗ

пространственного заряда, ограничивающего плотность тока

преобразователя.

Цезиевый плазменный ТЭП с адсорбционными

электродами на основе тугоплавких металлов, является

основным применяемым типом ТЭП (рис 2.4). МЭЗ заполнен

паром цезия, поступающим из цезиевого термостата, и в нем

образуется цезиевая плазма, что приводит к минимизации

пространственного заряда, кроме узких (порядка 5÷10 мкм —

радиус Дебая плазмы) приэлектродных слоев. Адсорбция цезия

на поверхности электродов приводит к снижению работы

выхода электронов до оптимальных значений (эмиттера 2,6÷2,8

эВ, коллектора элементов 1,4÷1,7 эВ). Адсорбция и ионизация

цезия позволяют реализовать в ТЭП рациональные значения

плотности мощности.

1 — эмиттер; 2 — коллектор; 3 —

нагрузка; 4 — подводящие провода; 5 —

термовводы; 6 — герметичный корпус; 7

— цезиевый термостат; 8 — поток

энергии от теплового источника; 9 — не

преобразованная теплота; 10 — поток

электронов и переносимая им энергия; 11

— поток энергии излучения; 12 — полез-

ная работа во внешнюю цепь

(электрический ток); 13 — утечки

теплоты

Рисунок 2.4 - Схема цезиевого ТЭП

В цезиевом ТЭП в зависимости от условий реализуются

различные режимы работы: диффузионный, разрядный,

квазивакуумный.

Цезий-бариевые плазменные ТЭП. МЭЗ заполняется

смесью паров цезия и бария. Энергия связи при адсорбции

бария на тугоплавких металлах больше, чем при адсорбции

цезия. Вследствие этого барий удерживается на поверхности

эмиттера и снижает его работу выхода электронов при более

высокой температуре. Ионизация цезия обеспечивает

компенсацию пространственного заряда. Эти ТЭП

характеризуются более высокой плотностью мощности и КПД в

диффузионном режиме при высокой температуре эмиттера

(более 2300 К).

Электроды ТЭП изготавливаютвя из тугоплавких

металлов, применяемых в настоящее время, как правило, в виде

монокристаллов. Для улучшения прочностных свойств

применяются слаболегированные монокристаллы (вольфрам +

1÷1,5 % рения, молибден + 3 % ниобия и др.). Для изготовления кол-

лекторов применяется чаще всего ниобий, а также молибден. Для

улучшения свойств электродов, изготовленных из ниобия и

молибдена, на их поверхность могут наноситься покрытия из

вольфрама.