Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую

Лабораторная работа Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Исследование фотоэлектрического преобразователя энергии солнечной батареи Цель работы: изучить принцип преобразования солнечной энергии в электрическую. Исследовать основные технические характеристики фотоэлектрической батареи.

Общие сведения.

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷ К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,210¹⁷ Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно, 1 кВт/м². Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м² в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10% и поток солнечной энергии 17 МДж/м² в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м² площади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км² на одного человека приходится 2000 м² земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5% этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие основные величины.

Поток излучения — величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения — Дж/с = Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) — величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения — Вт/м². электромагнитный энергия батарея излучение Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой, которая равна 1367 Вт/м².

Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Поэтому одинаковые по мощности потоки излучения, но разных длин волн вызывают разные световые ощущения у человека. Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,610³ Вт (или 1 Вт = 217 лм).

Освещенность — величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для белого света 1 лк = 4,610³ Вт/м² (или 1 Вт/м² = 217 лк).

Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами.

В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей.

При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электрическую энергию.

Это становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) (вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости (фотопроводимость).

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение максимальной электрической мощности вырабатываемой элементом, к падающему потоку излучения. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 1015% (т.е. при освещенности 1 кВт/м² вырабатывают электрическую мощность 11,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В.

Типичная структура солнечного элемента с p-n-переходом изображена на рис. 1.1 и включает в себя: 1 — слой полупроводника (толщиной 0,2−1,0 мкм) с n_проводимостью; 2 — слой полупроводника (толщиной 250−400 мкм) с p_проводи-мостью; 3 — добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм); 4 — металлический контакт с тыльной стороны; 5 — соединительный проводник с лицевой поверхностью предыдущего элемента; 6 — противоотражательное покрытие; 7 — лицевой контакт; 8 — соединительный проводник к тыльному контакту следующего элемента. Характерный размер солнечного элемента 10 см.

Рис. 1.1. Структура солнечного элемента

Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи, как изображено на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Э — солнечный элемент; М — солнечный модуль; Б — солнечная батарея

В 1958 г. впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов.

Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работающие на солнечных батареях.

Основные компоненты солнечной энергетической установки изображены на рис. 1.3 и включают в себя: Б — солнечную батарею с приборами контроля и управления; А — аккумуляторную батарею; И — инвертор для преобразования постоянного тока солнечной батареи в переменный ток промышленных параметров, потребляемый большинством электрических устройств.

Рис. 1.3. Солнечная энергетическая установка

Несмотря на неравномерность суточного потока солнечного излучения и его отсутствие в ночное время, аккумуляторная батарея, накапливая вырабатываемое солнечной батареей электричество, позволяет обеспечить непрерывную работу солнечной энергетической установки.

Экспериментальная установка (рис. 1.4) включает в себя: 1 — солнечный модуль, состоящий из 36-ти (94) солнечных элементов; 2 — амперметр и 3 — вольтметр для определения напряжения и силы тока, вырабатываемых солнечным модулем; 4 — источник света, имитирующий солнечное излучение; 5 — люксметр для определения освещенности поверхности солнечного модуля; 6 — реостат, представляющий собой регулируемую нагрузку в электрической цепи.

Экспериментальная установка Рис. 1.4. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы а). Исследование характеристик холостого хода солнечного элемента.

Удостовериться, что нагрузка на солнечный модуль отсоединена.

Измерить ширину, а (м) и высоту b (м) рабочей поверхности солнечного модуля и определить ее площадь S = ab, м².

Установить источник света на прямое излучение на поверхность солнечного модуля (нулевая отметка на лимбе источника).

Включить источник света.

Люксметром измерить освещенность в центре и четырех крайних точках поверхности солнечного модуля (Е_ц, Е₁, Е₂, Е₃, Е₄) и определить ее среднее значение (Е_ср), полученные результаты занести в табл. 1.1.

По показаниям вольтметра определить ЭДС, вырабатываемую солнечным модулем при положении источника света — 0 градусов по лимбу.

Проделать аналогичные измерения при косом падении излучения на поверхность модуля, поворачивая источник света на 10, 20, 30, 40, 50 градусов по лимбу.

Определить плотность потока излучения Е_эн (энергетическую освещенность), используя соотношения между лк и Вт/м²; для белого света Е_эн = 4,610³Е_ср.

Определить поток излучения Ф_изл, из определения плотности потока излучения Е_эн следует Ф_изл = Е_эн S Вт полученный результат занести в табл. 1.2.

Определить ЭДС-1 — ЭДС, вырабатываемая одним солнечным элементом, равная отношению ЭДС на количество элементов, из которых состоит солнечный модуль. Полученные результаты занести в табл. 1.1.

Построить график зависимости ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, падающего на его поверхность Е_эн.

Таблица 1.1. Результаты измерений и вычислений.

• б). Определение вольтамперной характеристики солнечного модуля.
• 1. Подключить нагрузку (реостат) к цепи солнечного элемента.
• 2. Установить источник света на прямое излучение на поверхность солнечного модуля (нулевая отметка на лимбе источника).
• 3. Включить источник света. По показаниям вольтметра определить напряжение в цепи U. По показаниям амперметра определить ток в цепи I.
• 4. Перемещая подвижный контакт реостата, изменить сопротивление нагрузки в цепи и выполнить измерения U и I. Провести измерения 6 раз в пределах от минимального до максимального значения сопротивления нагрузки.
• 5. Для каждого измерения вычислить электрическую мощность в цепи

N=IU.

• 6. Все данные занести в табл. 1.2.
• 7. Построить вольтамперную характеристику (график зависимости I от U) солнечного модуля при данной плотности потока излучения, значение которой взять из предыдущей серии измерений.
• 8. Отметить наибольшее значение мощности (N_max), вырабатываемой солнечным модулем и рассчитать коэффициент преобразования (см. таблицу).

Таблица 1.2. Результаты измерений и вычислений.

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 1.

• 1. Цель лабораторной работы и объект исследования.
• 2. Основные величины, характеризующие солнечное излучение.
• 3. Какова температура поверхности Солнца?
• 4. Каким образом энергия Солнца достигает поверхности Земли?
• 5. Поток излучения, единицы измерения.
• 6. Плотность потока излучения, единицы измерения.
• 7. Световой поток, единицы измерения.
• 8. Освещенность, единицы измерения освещенности. Приборы для измерения освещенности.
• 9. На каком явлении основано действие фотоэлектрических преобразователей энергии?
• 10. Фотоэффект, виды фотоэффекта.
• 11. Физический смысл коэффициента преобразования солнечной энергии в электрическую.
• 12. Какие основные компоненты должна содержать солнечная энергетическая установка?
• 13. Области применения солнечных батарей.
• 14. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.
• 15. Методика исследования характеристики холостого хода солнечного элемента.
• 16. Как зависит ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, падающего на его поверхность?
• 17. Методика определения вольтамперной характеристики солнечного модуля.