Солнечные батареи

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………….5.

Глава 1.  Устройство и принцип работы солнечных элементов.

  1.1. История открытия солнечной энергии…………………………………..7.

  2.1. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения..12.

  2.2. Фотоэлемент. Физический принцип работы фотоэлемента……………13.

  2.3. Конструкция солнечного элемента………………………………………14.

  2.4. Виды солнечных элементов………………………………………………16.

2.4.1. Фотоэлементы первого  поколения – на основе пластин  кристаллического кремния…………………………………………………………………………………..17.

2.4.2. Фотоэлементы второго  поколения – на основе тонких  пленок полупроводников………………………………………………………………………..21.

1. Фотоэлементы на основе аморфного кремния
2. Фотоэлементы на основе кристаллических пленок кремния
3. Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CdTe
4. Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CuInSe₂ (CIS)
5. Фотоэлементы на основе кристаллических пленок III-V групп
6. Фотоэлементы на основе органических материалов
7. Фотоэлементы на красителях

   2.4.3. Фотоэлементы третьего поколения…………………………………………31.

   2.5. Потери в солнечных элементах и пути их уменьшения…………….33.

Глава 2. Устройство и принцип работы солнечных батарей. Применение.

  2.1. Характеристики и устройство солнечных батарей………………….35.

  2.2. Элементы солнечных батарей и дополнительные компоненты……38.

          2.2.1. Регуляторы отбора мощности батареи………………………………...……38.

          2.2.2. Аккумуляторы в системе солнечной батареи………………………………39.

          2.2.3. Регуляторы зарядки и разрядки аккумуляторов……………………………42.

          2.2.4. Инверторы………………………………………………………………….…42.

  2.3. Применение солнечных батарей…………………………………......44.

  2.4. Перспективы использования солнечных батарей…………………..52.

Глава 3. Методы исследований солнечных батарей.

   3.1. Модели расчетов мощности солнечных батарей……………………56.

3.1.1. модель КПД;

3.1.2. модель поправочных  коэффициентов;

3.1.3. модель физическая;

3.1.4. модель  статистическая.

  3.2. Анализ работы солнечных батарей в зависимости от природных факторов……………………………………………………………………..59.

3.2.1. Солнечная радиация……………………………………………………........59.

3.2.2. Температура воздуха и скорость ветра……………………………………..60.

3.2.3. Влажность и давление воздуха……………………………………………...61.

  3.3. Детальный расчет проектирования солнечной батареи со всеми теоритическими и математическими выкладками и при помощи пакет программ моделирования DesignLab и Matlab Simulink…………….........62.

3.3.1. Алгоритм построения  модели СБ……………………………………………63.

3.3.2. Математическая модель солнечного элемента при протекании постоянного тока………………………………………………………………………………………….64.

3.3.3. Определение профиля освещенности………………………………………..66.

3.3.4. Определение необходимой  емкости и выбор аккумуляторной  батареи…..74.

3.3.5. Определение минимального  времени зарядки аккумуляторной  батареи…76.

3.3.6. Определение профиля  нагрузки……………………………………………..77.

3.3.7. Расчет эффективного  значения плотности потока солнечного  излучения.79.

3.3.8. Определение факторов, влияющих на выходную мощность  солнечных элементов…………………………………………………………………………………..81.

3.3.9. Определение числа  последовательно и параллельно  соединенных элементов солнечной  батареи…………………………………………………………………………85.

Выводы…………………………………………………………………88.

Список использованной литературы………………………………89.

 

 

 

 

 

Целью работы является:

Исследование методов и средств изучения полупроводниковых (кремниевых) солнечных батарей малой мощности с учетом  воздействия природных и аппаратных факторов,

Задачи:

1. Ознакомиться с видами солнечных элементов, устройством и принципом работы солнечных элементов и солнечных батарей.
2. Рассмотреть перспективы и примеры применения солнечных батарей.
3. Показать полезность и целесообразность моделирования солнечных батарей для повышения эффективности их применения.
4. Изучить зависимость вырабатываемой мощности от погодных условий.
5. Изучить алгоритм моделирования солнечных батарей из различных полупроводниковых материалов.
6. Изучение моделирования вольтамперной (ВАХ) и вольтваттной (ВВХ) характеристик солнечных батарей при действии различных внешних условий.
7. Определение минимального времени зарядки и необходимой емкости аккумуляторной батареи.

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Солнце разлито поровну.

Вернее, по справедливости,

Вернее, по стольку разлито,

Кто, сколько способен взять.

                      В. Солоухин

 
       В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.

Всё это заставляет жителей  нашей планеты искать новые способы получения энергии. Преобразование солнечной энергии в электричество является одним из самых перспективных и активно развиваемых направлений возобновляемой энергетики. Солнечная энергия широко доступна, обладает практически безграничными ресурсами, при ее фотоэлектрическом преобразовании не происходит загрязнения окружающей среды.

 Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую используется явление фотоэффекта в солнечных элементах (СЭ) на основе структуры с p-n переходом. На сегодняшний день максимальная эффективность некоторых типов полупроводниковых СЭ составляет более 30 %.

 В зависимости от технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей, существуют различные виды солнечных батарей. Наиболее широко распространены кристаллические фотоэлектрические преобразователи, изготовленные из моно- или мультикристаллического кремния, а также тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния, теллурида кадмия, арсенида галлия, фосфида индия и некоторых других соединений. На сегодняшний день доля кристаллических солнечных элементов составляет около 93 %, а тонкопленочных – около 7 %. Ведутся разработки по применению концентраторных и электрохимических солнечных элементов.

Первое практическое использование  кремниевых солнечных батарей (СБ) для энергетических целей имело место в околоземном космическом пространстве. Солнечные батареи и сегодня остаются основным источником электроэнергии для космических аппаратов, поскольку необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Работа в космосе предъявляет к СЭ очень жесткие и подчас противоречивые требования. Сокращение сроков разработки и улучшение эксплуатационных характеристик систем электроснабжения космических аппаратов выдвигает на первый план необходимость создания эффективных методов проектирования подобных систем, в частности, предсказания и анализа работы солнечных батарей под действием разнообразных факторов окружающего пространства в статическом и динамическом режимах нагрузки.

В данной курсовой работе представлена теоретический обзор и методы математического моделирования исследований характеристик солнечных батарей.

Курсовая работа состоит  из введения, 3 глав, выводов и списка литературы.

 

 

 

 

Глава 1.

1.1.История открытия солнечной энергии.

Солнечная энергетика —  направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании  солнечного излучения для получения  энергии в каком-либо виде. Солнечная  энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных  отходов. Производство энергии с  помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

    Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6*10¹¹ кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4*10²⁰ Дж энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2*10³⁰ кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии.

Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед  сжег неприятельский флот, осадивший  его родной город Сиракузы, с помощью  системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад  султанский дворец в Турции отапливался  водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья  получали поваренную соль, выпаривая  морскую воду. Однако больше всего  людей привлекали опыты с зеркалами  и увеличительными стеклами. Настоящий "солнечный бум" начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная  от пут религиозных суеверий, пошла  вперед семимильными шагами. Первые солнечные  нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое  вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные  лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит - за минуту.

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную  энергию в механическую, были построены  опять-таки во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

 

Паровой котел на солнечной  энергии, приводящий в движение печатный станок.

 

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали настоящую солнечную батарею - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

 

Еще в 70-х годах 19 века был  открыт так называемый фотоэлектрический  эффект - явление, связанное с освобождением  электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного  излучения. В 30-х годах глава физиков  нашей страны академик А. Ф. Иоффе  высказал мысль о использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например, покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика. Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Так же росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая  чистота. Правда, соединения кремния  могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями  сжигания природного топлива такой  ущерб - капля в море.