Анализ влияния метереологических факторов на энергетические характеристики солнечных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый 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.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 мІ, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/мІ (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) - 1020 Вт/мІ. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения - уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин;

паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

двигатель Стирлинга.

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). Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор). Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Одним из основных недостатков применения солнечной энергии является зависимость от погоды и времени суток.

Актуальность проблемы: заключается в том, что электроэнергия, вырабатываемая солнечными элементами, значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами.

Поэтому, исходя из вышеизложенного, необходимо проанализировать оценку влияния снижения стоимости солнечной электроэнергетики на ее повсеместное распространение.

Цель исследования: провести анализ и сравнение работы солнечных фотоэлементов в ясную солнечную погоду и ненастную пасмурную, а также влияние работы солнечных элементов на окружающую среду.

Задачи исследования: проанализировать работу следующих солнечных элементов:

§ на основе монокристаллического кремния, КПД установки;

§ на основе ленточного поликристаллического кремния, КПД установки;

§ на основе тонкопленочного аморфного кремния, КПД установки;

Объект исследования: снижение стоимости солнечной электроэнергии за счет внедрения фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Предмет исследования: фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Гипотеза: стоимость солнечной электроэнергетики на несколько порядков ниже стоимости традиционной электроэнергетики.

Методы исследования: анализ различных конструкций, исследование преимуществ и недостатков различных систем для преобразования солнечного излучения в электроэнергию.

Структура дипломной работы отражает логику исследования и его результаты и состоит из введения, разделов, заключения, списка использованных источников, приложений.

1. Энергия в жизни человека

1.1 Потребность людей в энергии

В прошлом потребление энергии росло пропорционально увеличению численности населения. Вплоть до XVI в. тепло повсеместно получали путем сжигания дров, сельскохозяйственных отходов. Использование энергии воды и ветра также уходит корнями в далекое прошлое. Тогда источники энергии можно было использовать, не считаясь с ресурсами Земли, так как запасы их легко восполнялись. Уголь в качестве топлива применяли в Англии уже в XII в., но его добыча не превышала 10⁷ т в год вплоть до конца XVIII в., когда началась промышленная революция. Теперь для развития промышленности требовалась энергия в количествах, которые не могли обеспечить только восполняемые (природные) источники. За паровым насосом Сэвери (1698) появилась машина Ньюкомена (1712), затем - машина с коленчатым валом, созданная Ваттом (1781), и паровоз Тревитика (1802). Изобретение электрического генератора Пикси (1832), электрического двигателя - Граммом (1873) и открытие Фарадеем законов электромагнетизма наметили пути к широкому использованию энергии. К 1900 г. количество угля, добываемого только в Англии, достигло 2* 10⁸ т в год. В 1857 г. качалась добыча нефти в Румынии, а в 1859 г. - в США. Как при использовании угля в качестве топлива необходимо было постоянно восполнять его запасы, так и применение продуктов перегонки нефти в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания требовало непрерывного расширения ее добычи. В конце XIX - начале XX вв. двигатели внутреннего сгорания начали широко применяться на транспорте. К этому времени относятся изобретения бензинового двигателя Отто (1875), автомобильного двигателя Бензом (1890) и самолета братьями Райт (1903).

Чтобы представить себе масштабы потребления энергии в обозримом будущем, необходимо оценить, как увеличиваются энергетические потребности человека в нашем развивающемся мире. Мы начнем со статистических данных мировой добычи угля и нефти[1]. Как известно, при сжигании топлива входящие в его состав вещества соединяются с кислородом воздуха, а выделяющаяся в результате этого процесса энергия используется для отопления жилых домов, общественных зданий и заводов, а также для приведения в действие машин, в которых она преобразуется в работу. К.п.д. этих машин в разное время был различным, он отражал уровень технического развития общества. В последние десятилетия эффективность тепловых машин резко возросла. Кроме этого, существуют принципиальные факторы, ограничивающие дальнейшее ее увеличение. Здесь не будем на них останавливаться, так как наша цель - получить лишь ориентировочное представление об энергетических потребностях человечества. Если предположить, что среднее значение к.п.д. использования угля*и нефти не превышает 20%, то, следовательно, на удовлетворение потребности в этом виде энергии расходуется лишь у всей энергии, выделяемой при сжигании данных видов топлива. Следует также учитывать, что определенное количество энергии люди получают за счет сжигания леса, торфа и других растительных материалов. Во многих странах мира эти источники энергии все еще являются основными, и их вклад в общий топливный баланс составляет около 15%. В прошлом такие источники имели еще большее значение и вплоть до 1900 г. покрывали примерно 50% общей потребности в энергии. Вклад других источников энергии - гидроэлектростанций и атомных станций, по-видимому, пока не превышает 2%, несмотря на их высокий к.п.д.

На рисунке 1 представлена кривая энергетической потребности общества.

Рисунок 1.1 Оценка мировой энергетической потребности, 1800-2000 год.

За единицу энергии здесь принят киловатт-час (кВтч), широко применяемый в практике. Необходимо подчеркнуть, что эта кривая дает лишь ориентировочную оценку фактической работы, которую совершают машины, преобразующие химическую и тепловую энергию в работу. При этом не следует путать энергетическую потребность с потребляемой энергией, поскольку потребляемая от источников энергия из-за низкой эффективности ее преобразования значительно превышает указанную на графике энергетическую потребность.

Как мы видим, по сравнению с кривой численности населения (в соответствии с рисунком 1) кривая энергетической потребности отличается большей крутизной. Это вполне понятно. С повышением жизненного уровня растут и запросы людей, что приводит к увеличению энергетической потребности на душу населения. Характерной чертой экономики развитых стран является переход от того уровня общественного развития, при котором население занималось сельским хозяйством и влачило жалкое существование, к более высокому уровню, когда население сосредоточено преимущественно» в городах и занято в сфере производства предметов потребления и различных видов энергии. Общество, достигшее такой стадии, обладает огромными преимуществами, хотя, к сожалению, не все его члены пользуются его благами. Об уровне развития наций иногда судят по относительной численности городского населения. В настоящее время в Англии сельским хозяйством занимается около 6% населения, тогда как в странах Юго-Восточной Азии аналогичная цифра достигает 90%.

Другим показателем уровня развития общества является потребление энергии на душу населения. Физические возможности человека весьма невелики. Ежедневно только для поддержания своего здоровья человек должен потреблять с пищей около 2500 ккал, что в пересчете на принятые нами единицы энергии составляет около 1000 кВтч в год. Следовательно, если примерно 5% своей энергии человек будет тратить на выполнение полезной работы, то последняя не превысит 50 кВтч в год. Однако для населения в целом средняя величина такой работы не превосходит и половины указанного значения. Свои физические возможности человек расширяет, используя животных и особенно машины. Благодаря этому среднее значение энергии, приходящейся на одного жителя земного шара, в настоящее время достигает 3000 кВтч в год. Однако эта величина в зависимости от уровня развития нации колеблется в широких пределах. По нашим подсчетам, для Соединенных Штатов и некоторых стран Западной Европы она достигает 18 000 кВтч в год, тогда как для Индии она не превышает нескольких сотен кВтч в год.

Поднимая свой жизненный уровень, развивающиеся страны должны стремиться к тому, чтобы устранить существующее неравенство[2]. Когда это произойдет и насколько к тому времени богатые нации уйдут вперед в своем развитии, пока можно только предполагать. Не делая слишком завышенных оценок, предположим, что некоторое устойчивое положение будет достигнуто, когда средняя энергетическая потребность на душу населения земного шара поднимется до современного уровня высокоразвитых наций. Такое предположение не лишено оснований, поскольку богатые нации несколько продвинутся в своем развитии, тогда как, по-видимому, не все развивающиеся страны пойдут по пути промышленного развития своей экономики. Однако необходимо учесть и множество дополнительных факторов. Отсталым странам необходимо в короткий срок осуществить капитальное строительство в самых широких масштабах. Даже при современных методах разработки полезных ископаемых это может привести к быстрому истощению всех ресурсов земного шара. При существующих темпах добычи запасы определенных металлов также должны иссякнуть уже через несколько десятилетий. При повышенной потребности в сырье начнут осваиваться даже такие месторождения, которые в настоящее время из-за низкого качества их руды не разрабатывают. Поэтому в будущем затраты энергии на получение того же количества руды заметно возрастут. Таким образом, даже с учетом того, что некоторые металлы после переплавки можно использовать повторно или заменять их пластмассами, затраты энергии на обеспечение капитальных строительств материалами вряд ли существенно снизятся.

Запасы воды также истощаются. И сейчас на земном шаре есть места, где стремятся использовать каждую каплю воды. Со временем для удовлетворения потребности в пресной воде будут опреснять в огромных количествах морскую воду, что потребует новых затрат энергии. При наиболее доступном способе получения пресной воды эти затраты можно оценить величиной 100 кВтч на 1 т воды. И едва ли их можно снизить более чем на 2 кВтч на тонну. Кроме того, в будущем для увеличения производства растительных продуктов питания потребуется использовать удобрений примерно в сто раз больше, чем в настоящее время. При приготовлении аммиака NH3 (который является основой большинства минеральных удобрений) азот получают путем восстановления его из воздуха, а водород - с помощью электролиза воды, причем на получение 1 кг азота необходимо затратить около 7 кВтч энергии. В масштабах же земного шара объем производства подобных удобрений достигает 20-106 т в год.

Эти и многие другие факторы позволяют, по крайней мере умозрительно, оценить общую энергетическую потребность населения земного шара. Трудно представить, чтобы в конечном итоге эта потребность в расчете на душу населения оказалась ниже 20000 кВтч в год. Если совместить эту оценку с полученной выше оценкой общей численности населения на некотором установившемся уровне, то получится, что энергетическая потребность общества в будущем составит около 2-1014 кВтч в год, что в 16 раз превышает существующий уровень. Заметим, что к подобному результату приводит совместное действие двух факторов: увеличение численности населения (примерно в 3 раза) и повышение его запросов (не менее чем в 5 раз). Рассмотренные графики, построенные на основе ориентировочных оценок, дают лишь самое общее представление о возможных тенденциях развития. Но нельзя недооценивать всю сложность ситуации. в которой может оказаться человечество, например, через столетие.

1.2 Возможные модели экономического развития общества

солнечный энергия электрический генератор

Пока нет необходимости заниматься преобразованием солнечной энергии в больших масштабах, однако ее применение в некоторых районах земного шара для удовлетворения энергетических потребностей местного значения весьма заманчиво. Запасы солнечной энергии повсеместно неистощимы. Но сейчас не следует рассчитывать на получение солнечной энергии с больших поверхностей размерами в десятки квадратных километров. С помощью солнечной энергии, падающей на крышу больницы, можно, например, осуществить горячее водоснабжение последней. Или еще: выполняя функции коллектора солнечного излучения, крыша дома может обеспечить энергией ткацкий или токарный станок, крыша сарая - насос для орошения 10 га земли. Солнечная установка размером с небольшой пруд позволит напоить водой целую деревню, а установка величиной со школьную доску обеспечит электроэнергией школьные радио- и телевизионные приемники. Как видим, подобные местные источники энергии могут найти разнообразное применение.

Что это значит для экономического развития отсталых областей? По-видимому, такие огромные потенциальные возможности солнечных энергетических систем откроют новые перспективы в развитии отсталых сельских областей, задержат переселение людей из этих областей в города, а, как известно, такое переселение значительно осложняет развитие многих стран.

Уже первые шаги на пути технического прогресса отсталых наций позволят им подняться над уровнем, при котором каждая семья занята своим натуральным хозяйством[3]. В Европе переход от такого хозяйства осуществлялся постепенно в ходе двух параллелью развивающихся процессов. Во-первых, в результате совершенствования способов ведения хозяйства значительно поднялась производительность труда сельскохозяйственного рабочего и соответственно значительно возросла доля урожая, приходящаяся на каждого. В наше время один человек, занятый в сельском хозяйстве, может прокормить десяток других. Во-вторых, высвобождавшиеся из сельской местности люди концентрировались в больших и малых городах, где их эффективно использовали в промышленном производстве. Рост промышленной продукции способствовал общему подъему жизненного уровня, при этом часть ее продавалась в другие страны, экономическое развитие которых не позволяло им производить подобную продукцию. Численность общества непрерывно увеличивалась, и на каком-то этапе его развития оказалось возможным привлечь значительную часть людей к общественно полезному, но не приносящему непосредственно материальных благ труду. Это, в свою очередь, создало условия для дальнейшего развития нации, в частности повышения ее культурного уровня - хорошего медицинского обслуживания, всеобщего образования, возможностей для отдыха и т.п. Такие условия являются неотъемлемыми для жизни во всех развитых странах, но их количественные показатели отражают материальный уровень развития общества.

Сельское население развитых стран значительно сократилось. Например, в Англии за последнее столетие количество сельскохозяйственных рабочих уменьшилось в 10 раз. Темпы роста городского населения, особенно в XIX в., оказались выше темпов развития промышленности, и это обусловило бедственное положение рабочих. Последствия такого явления дают о себе знать до сих пор. Если подобное повторится, то уже в значительно больших масштабах, и исход этого может быть катастрофичным. Сейчас население окраин больших городов составляет около Уз общей численности городского населения. Дома во многих пригородах представляют собой какие-то жалкие сооружения из фанерных, бумажных и металлических ящиков, которые разбросаны как попало - ни дорог, ни водоснабжения, ни канализации. В этих лачугах люди ютятся в страшной тесноте. В них, как правило, живут неграмотные, больные, безработные люди. Однако численность такой категории населения растет год от года. В подобных условиях ныне пребывает более ^]/₄ населения земного шара. При существующей тенденции развития общества к 2020 г. такая категория людей составит половину населения Земли.

Однако несмотря на столь ужасные условия, этим людям живется все же лучше, чем большинству сельских жителей. К тому же в некоторых странах нет достаточно строгих правил владения землей, что постоянно побуждает людей к смене места жительства. А большой город действует подобно магниту, который притягивает широким выбором работы, доступностью развлечений, более тесным контактом с остальным миром, ощущением, что в нем все доступнее, чем где бы то ни было. В значительной мере это действительно так. Если в мире не произойдет каких-либо радикальных изменений, то надеяться на ослабление тяги к городу нет оснований. Уменьшение сельского населения могло бы быть оправданно, если бы возрастала производительность сельского хозяйства. Иначе едва ли возможно создать те излишки продуктов, которые необходимы при увеличении численности населения земного шара. Переезды в города обычно способствовали разрушению семьи, что также снижало стабильность сельской общины. Эти и множество других причин привели к необходимости запретить перемещение людей из сельских районов. Однако подобная мера может быть эффективной лишь в том случае, если в деревне будут созданы соответствующие условия для работы и жизни людей. Серьезным препятствием к развитию деревни является недостаток средств сообщения. Большинство мелких сельскохозяйственных центров совершенно не связаны друг с другом. Обширные пространства с низкой плотностью населения экономически не выгодно оснащать шоссейными и железными дорогами и покрывать сетью нефтепроводов.

Существует множество других взаимосвязанных проблем развития удаленных и труднодоступных областей. Все их невозможно подробно рассмотреть в рамках нашей книги, однако следует сказать, что одним из ключей к решению этих проблем является создание местных запасов энергии. Централизованное снабжение мелких сельскохозяйственных районов электроэнергией от крупных станций экономически невыгодно из-за больших затрат, связанных с передачей энергии на далекие расстояния. В энергетике есть понятие «удваивающего расстояния», то есть расстояния от источника до потребителя энергии, при котором ее стоимость возрастает вдвое. При передаче электроэнергии такое расстояние составляет около 500 км. Во многих развивающихся странах весьма ограничены даже традиционные способы получения энергии путем сжигания природного топлива, так как его либо недостаточно, либо слишком дорога транспортировка. «Удваивающее расстояние» для угля также составляет несколько сотен километров.

Вот почему в подобной ситуации особый интерес вызывает ветряная и солнечная энергия. Получение этих видов энергии доступно почти везде. Как мы покажем далее, в большинстве случаев экономически выгоднее использовать солнечные установки небольших размеров. С их помощью можно обеспечить энергией потребности таких местных производств, как прядильное, лесопильное, бумажное, консервное, легкая промышленность, ремонт транспорта, осушение и орошение земли, опреснение и накопление воды и т.д. Если в ближайшее время таким путем удастся возродить деревни, то они постепенно могут стать большими развитыми экономически рентабельными районами. По-видимому, такое решение проблемы для развивающихся стран более разумно, чем пытаться обеспечить потребности в энергии больших городов и промышленных центров западного образца в условиях дефицита пространства и времени.

Как мы уже говорили, во многих районах земного шара ежегодно можно получать солнечную энергию в количестве до 2000 кВт*ч на каждый квадратный метр поверхности. В дальнейшем мы рассмотрим способы получения и использований этой энергии. Абсолютно ясно, что многие из способов вследствие определенных недостатков не могут претендовать на универсальность. При обсуждении таких недостатков мы попытаемся показать, какие способы наиболее выгодны. Возможно, с нашими аргументами и обоснованиями не все согласятся, и с этим нельзя не считаться. Но цель книги будет достигнута, если как можно больше людей узнают о подобных способах получения энергии и о том, какой вклад они могут внести в дальнейшее экономическое развитие человечества.

2. Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию

Несомненно, электроэнергия является наиболее удобной для использования формой энергии. Основная доля электричества вырабатывается на земном шаре с помощью электромагнитных генераторов, приводимых в действие тепловыми машинами того или иного вида. В предыдущей главе мы видели, что солнечные системы, в состав которых входят тепловые машины, обычно малоэффективны. (Исключение составляют системы с использованием концентраторов.) Как уже говорилось, возможности этих систем ограничиваются наибольшей и наименьшей температурами цикла машины. Применение концентраторов позволяет увеличить получаемую механическую мощность до 100 Вт на 1 м² площади коллектора. Однако ввиду своей сложности системы с концентраторами применяются лишь для привода маломощных электрических генераторов в десятки-сотни ватт. Мы рассмотрим и другие способы преобразования солнечной энергии в электрическую, а также возможности повышения их эффективности. Для этого необходимо как-то обойти ограничения второго начала термодинамики, и это не просто вопрос замены механической машины другим устройством.

Взаимный переход электрической и механической форм энергии в принципе может протекать без потерь, например, в идеальном соленоиде или в двигателе. Электрические машины, преобразующие одну форму энергии в другую, обычно весьма эффективны: их КПД иногда достигает 90% (для больших машин, где потери обратно пропорциональны размера машин). Поэтому пределом совершенства не без оснований считают машину с КПД. 100%, допускающую обратимое преобразование. Но такая машина в принципе не отличается от идеальной обратимой механической машины, поэтому здесь также вступает в силу второе начало термодинамики. Как известно, некоторые термодинамические ограничения проявляются при непрерывном процессе преобразования тепловой энергии в механическую энергию. При использовании солнечной энергии подобных ограничений удалось бы избежать в том случае, если бы отпала необходимость в промежуточной стадии превращения радиации в теплоту.

2.1 Электрический ток, потенциал и мощность

Обычно под потоком электричества в цепи понимают прохождение тока под влиянием разности потенциалов. Такое представление напоминает нам прохождение воды через трубку, соединяющую резервуары, находящиеся на различной высоте. Подобные аналогии были уместны, пока не стало понятно, что электрический ток представляет собой движение электронов. Прежние положения оказались в противоречии с принятой теперь электронной точкой зрения. Познакомившись с особенностями поведения электронов, мы сможем в дальнейшем лучше понять смысл такого противоречия.

Первоначально знак (положительный или отрицательный) приписывался электрическим зарядам произвольно. Впервые это сделал Франклин (1747), который присвоил положительный знак электрическому заряду, полученному при натирании стеклянной палочки о шелк. Более глубокие представления об электростатических явлениях возникли лишь в XIX в. и позже. В 1785 г. Кулон экспериментально открыл важный закон (носящий его имя), определяющий силу электростатического взаимодействия двух малых заряженных тел. Если два тела с зарядами q находятся на расстоянии х, то сила их взаимодействия пропорциональна величине под действием этой силы разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Используя это соотношение и определив, с какой силой притягиваются два разноименно заряженных малых (точечных) тела, расположенных на заданном расстоянии друг от друга, мы можем найти величину единичного заряда, приписываемого каждому из этих тел. Найденная таким путем единица заряда названа кулоном (Кл).

Однако, как теперь известно, наиболее удобной единицей заряда является заряд электрона[4]. Существование электрона впервые было обнаружено в «катодных лучах», исходящих с отрицательного электрода, или катода, газоразрядной трубки. Измеряя энергию этих лучей и определяя их отклонение в электростатическом поле, Томсон (1897) показал, что их можно рассматривать как состоящие из мельчайших частиц, каждая из которых имеет отрицательный (по Франклину) заряд величиной около 1,6-10-¹⁹Кл, (Термин «электрон» происходит от греческого названия янтаря, на котором при трении наводится отрицательный заряд.) Такой заряд появляется при возникновении избытка электронов там, где до этого были электрически нейтральные атомы. Электроны находятся в атомах и молекулах, и поэтому, если электроны проникли в какое-либо тело и сообщили ему отрицательный заряд, то у исходных атомов и молекул обнаруживается их недостаток. Эти атомы и молекулы становятся положительно заряженными ионами. Таким образом, в опыте Франклина при трении стеклянной палочкой о шелк электроны переходят к шелку, а в стекле образуется положительно заряженные ионы.

Чтобы оторвать электрон от положительного иона, необходимо совершить работу по преодолению кулоновских сил, удерживающих их вместе. Действие этих сил в какой-то степени напоминает натяжение соединяющей их пружины (хотя это была бы необычная пружина, способная неограниченно растягиваться, а после натяжения расслабляться). Как мы говорили в гл. 3, работу, совершенную над системой, можно условно представить как увеличение внутренней энергии системы. Следовательно, энергия должна быть заимствована извне. Так, например, в электрической батарее энергия черпается в химическом процессе, сопровождающемся понижением энергии вещества, в результате совершается работа, необходимая для отделения большого числа электронов от атомов и молекул.

Распределение зарядов в телах регулируется соответствующим устройством. При этом, как видно, необходимо затратить работу на преодоление кулоновских сил, стремящихся соединить заряды. Если электрон не связан с катодом, то он под действием кулоновских сил будет двигаться к аноду. Эти силы ускоряют его движение до тех пор, пока он не достигнет анода; при этом электрон приобретает кинетическую энергию, равную работе, затраченной на его отделение от исходного иона. При ударе об анод электрон передает эту энергию «фиксированным» ионам анода, в результате их колебания усиливаются и температура анода повышается. Таким образом, работа, затраченная на отделение заряда, обязательно приводит к повышению внутренней энергии. Несколько иное положение возникает в том случае, если анод и катод соединены электрическим проводником. Движение электрона к аноду здесь затрудняется фиксированными ионами проводника. Электрон следует по очень извилистому пути, испытывая частые столкновения с ионами. Вместо того чтобы свободно ускоряться, электрон движется теперь вдоль проводника со скоростью в несколько сотен метров в секунду, но скорость его поступательного движения к аноду весьма незначительна, обычно она составляет несколько сантиметров в секунду, В промежутках между столкновениями кулоновские силы увеличивают составляющую скорости электрона, направленную к аноду, так что он приобретает некоторую кинетическую энергию. Однако при каждом столкновении он расходует энергии в среднем столько же, сколько приобретает между ними. Это вызывает усиление колебаний ионов проводника, и его температура повышается. Снова работа, затраченная на отделение исходного заряда, приводит к повышению внутренней энергии. Таково упрощенное объяснение сопротивления, возникающего в проводниках при прохождении тока. Внутреннюю энергию, приобретенную ионами проводнику, называют теплотой Джоуля.

Во всех этих случаях мы обычно говорим о существовании разности потенциалов между катодом и анодом. По определению, разность потенциалов V между двумя точками равна работе, которую необходимо совершить, чтобы переместить между ними исследуемое тело с малым положительным зарядом, отнесенной к величине этого заряда. Таким образом, разность потенциалов V - это работа, приходящаяся на единицу положительного заряда. Если в наших примерах мы вместо электрона будем рассматривать положительно заряженное тело, то очевидно, что на его перемещение от катода к аноду должна быть затрачена работа. Тогда, по определению, потенциал анода выше потенциала катода. Поэтому анодом называют положительный электрод, то есть электрод с избыточным положительным зарядом. Но прежде чем стало известно, что реальные носители заряда имеют отрицательный знак, было принято считать, что ток проходит от положительного к отрицательному электроду, то есть в направлении, противоположном движению электрона. Даже сегодня часто удобнее пользоваться именно этим направлением, условного тока, а не реального тока электронов.

2.2 Термоэлектричество

В 1821 г. Зеебек заметил, что если электрическую цепь составить из различных проводников и один из спаев поддерживать при более высокой температуре, чем другой, то в цепи потечет электрический ток. При: разомкнутой цепи на ее концах возникает разность потенциалов V, величина которой пропорциональна разности температур:

(2.2)

где S - коэффициент Зеебека. Его значение зависит от материала проводников (рис. 63, а). Эффект Зеебека обусловлен тем, что кинетическая энергия электронов на горячем конце цепи оказывается больше, нежели на холодном, поэтому процесс диффузии электронов в направлении холодного конца протекает с несколько большей скоростью, чем в противоположном[5]. На холодном конце цепи избыток электронов накапливается до тех пор, пока под действием кулоновских сил их движение не прекратится. Такое распределение зарядов и. обусловливает появление разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

При замыкании такой цепи электроны перемещаются вдоль обоих проводников (вследствие различной концентрации электронов в проводниках величина тока в них различна), в цепи же будет протекать некоторый суммарный ток. Если к цепи подключить нагрузку, то получим генератор. Энергия поступает к горячему спаю и от него частично передается холодному спаю, а разница энергий соответствует полезной работе, совершаемой в нагрузке.

В 1834 г. Пельтье заметил, что если в такую цепь в качестве нагрузки подключить элемент, обеспечивающий в ней протекание тока, то энергия будет поглощаться в месте холодного спая, а выделяться на горячем спае. Это легко объясняется поведением электронов, энергия которых при повышении температуры увеличивается, поэтому в месте горячего спая она оказывается выше. Пельтье установил, что и поглощенная, и выделенная энергия пропорциональна, току, протекающему в цепи. Тогда для горячего и холодного спаев соответственно справедливы соотношения

(2.2.1)

(2.2.2)

где Q₁ и Q₂ - коэффициенты Пельтье. Значения этих коэффициентов зависят от свойств металлов и температуры спая.

Изменяя направление тока, можно изменить направление потоков энергии. Эффект Пельтье наблюдается лишь в полностью обратимых системах, в которых передача энергии подчиняется термодинамическому соотношению.

 (2.2.3)

Тогда с учетом (3.2.1) получаем

(2.2.4)

откуда вытекает, что отношение представляет собой некоторую постоянную. В 1855 г. Томсон (позднее лорд Кельвин) впервые показал, что эта постоянная, зависящая от свойств материалов, тождественна коэффициенту Зеебека. Для того чтобы устройство работало без потерь, то есть обратимо, необходимо, чтобы ток был очень мал. В этом случае разность потенциалов на зажимах элемента (или нагрузке) приближается к значению V, определяемому из уравнения.

Количественное значение S можно измерить, но мы будем пользоваться этой величиной просто как термоэлектрической характеристикой. Порядок величины S нетрудно оценить, но рассчитать ее точно весьма сложно. Для металлов S составляет около 10 мкВ/К. Именно малостью этой величины объясняется то обстоятельство, что термоэлектрическими эффектами обычно пренебрегали, пока не обнаружили, что в полупроводниках они значительны. В них электрон, чтобы попасть в зону проводимости, где он получает свободу перемещения и может выполнять функции носителя заряда, должен сначала перейти запрещенную зону. Это напоминает рассмотренный в гл. 7 процесс термоэмиссии, когда электрон становится носителем полезного заряда лишь после преодоления потенциального барьера, соответствующего работе выхода. Там же было показано, что энергия электронов, преодолевших этот барьер в результате теплового возбуждения, превышает высоту барьера в среднем на 2.

Если предположить, что и в полупроводнике электроны, которые благодаря тепловому возбуждению преодолевают запрещенную зону, должны приобрести дополнительную энергию, тогда разность средних энергий электронов, соответствующих горячему и холодному спаям, можно оценить величиной 2k (T\-Т₂). Если полный ток в цепи равен /, то выделяемая при этом мощность составляет 2й/(7\-Г₂). Приравнивая эту мощность разности Qi-Q₂, найденной с помощью уравнения (7.13), получим равенство

(2.2.5)

Тогда из (3.2.4) находим, что S =160 мкВ/К, что во много раз превышает величину S для металлов. Как показали эксперименты, для некоторых материалов S достигает 1000 мкВ/К. Однако на практике получение высоких значений коэффициента Зеебека в полупроводниковых термоэлектрических генераторах зависит от особенностей разделения заряда в местах соединения полупроводников.

2.3 Исследование работы термоэлектрического генератора

Типичная конструкция термоэлектрического генератора на основе проводников показана на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Типичная конструкция термоэлектрического генератора

Обычно проводники соединяются последовательно, так как разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300-400 мкВ на единицу разности температур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.

Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления. Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется джоулево тепло. Томсон показал также, что при наличии разности температур джоулево нагревание проводника усиливается, поскольку электроны, двигаясь от более нагретой области к менее нагретой, имеют большую кинетическую энергию, чем передают холодному участку, поэтому часть ее они отдают ионам, колеблющимся относительно своих фиксированных положений в решетке. Однако для простоты исследования этим эффектом можно пренебречь.

Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через проводимость пропорциональна разности температур на их концах (при условии отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение

(2.3)

где К зависит от теплопроводности материалов, площади поверхности и длины элементов.

Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно

(2.3.1)

где R - общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность) от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из соединений.

Уравнение баланса мощности для горячего соединения запишется в виде

(2.3.2)

а для холодного соединения:

(2.3.3)

Тогда получаемая в нагрузке полезная мощность определяется из соотношения

(2.3.4)

а КПД. преобразования энергии

(2.3.5)

Итак, если считать неизменными другие величины, входящие в уравнение, значение КПД определяется величиной тока. А сила тока в нашем случае зависит от сопротивления нагрузки во внешней цепи. Установлено, что при уменьшении сопротивления (от некоторого высокого значения) КПД сначала возрастает, а затем падает. Величина КПД максимальна при сопротивлении нагрузки

(2.3.6)

Где

(2.3.7)

А

есть среднее значение температуры.

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет уравнению (2.3.5), то максимальное значение КПД определяется уравнением

(2.3.8)

Где

(2.3.9)

А

(2.3.10)

Отсюда видно, что максимальное значение КПД зависит лишь от температуры соединений и величины Z. Очевидно, с увеличением Z КПД повышается, но интересно исследовать, какими факторами определяется сама величина Z.

Если обозначить через А площади поперечных сечений элементов (рис. 64), а через / - длину каждого из них, то коэффициент К равен 2хЛ // , где к - теплопроводность материалов, которую мы будем считать одинаковой для обоих проводников пары. Аналогично (если пренебречь сопротивлением соединительных проводников) общее сопротивление равно 2 р // Л, где удельное сопротивление материала, которое также будем считать одинаковым для обоих проводников пары. Тогда величина Z определяется из уравнения

(2.3.11)

Итак, мы видим, что Z характеризует некоторую совокупность свойств материалов. И эту совокупность свойств, определяемых параметром Z, называют добротностью. Поскольку мы находим ее для пары элементов, образующих термоэлектрический преобразователь, следует напомнить, что коэффициент Зеебека S также характеризует свойства пары, а не каждого элемента в отдельности.

Расчет Z на основе фундаментальных принципов термодинамики не входит в нашу задачу, мы только условимся считать, что величину Z можно измерить для любой пары термоэлектрических материалов и выбрать из них такие, для которых Z максимальна. С помощью легирования удается получать полупроводники, по своим термоэлектрическим свойствам значительно превосходящие металлы. Для наиболее хорошо изученных материалов значение Z при определенных температурах составляет 0,003 на 1 К, но затем уменьшается при изменении температуры в ту и другую стороны. Используя различные сочетания материалов в каскаде, как показано на рис, можно в определенных пределах обеспечить во всем каскаде оптимальные термоэлектрические свойства. Как показано на рис. 65, между термоэлектрическими элементами размещен промежуточный электроизолятор, так что по одну сторону от него оказываются элементы, имеющие хорошие характеристики при более высокой температуре, а по другую - элементы, для которых благоприятной является более низкая температура. Обычно первые изготовлены из сплава германия с кремнием, а вторые - из теллурида свинца. Наличие промежуточного изолятора и особых электрических контактов позволяет в известной мере повысить качество термоэлектрического генератора, но даже в самом благоприятном случае его добротность Z не превышает 0,0005 на 1 К.

Из уравнений (3.3.6) и (3.3.9) видно, что использование в подобных системах тугоплавких материалов, имеющих такое значение Z, позволяет работать при температурах около 1000 К, тогда при температуре охладителя 300 К мы получаем неравное 1,15. Следовательно, общий КПД преобразования составляет лишь около 7%. Прежде мы видели, что эффективность собирания солнечной энергии даже при использовании высококачественных зеркал с высоким коэффициентом концентрации и температурой источника около 1000 К также ограничена. Таким образом, с помощью термоэлектрического генератора в настоящее время мы можем полезно реализовать не более 5% от падающей' солнечной энергии. Тогда при интенсивности солнечной радиации 800 Вт/м² выходная мощность системы составит около 40 Вт/м², что едва ли превышает мощность на выходе системы на основе плоского коллектора и тепловой машины. Причину этого легко понять. Сопоставление уравнений (3.3.6) и (3.3.9) с уравнением (3.2) показывает, что величина 1-г соответствует КПД для указанных температур. Таким образом, к.п.д. термоэлектрического генератора составляет лишь (п-1)/(га + г) часть от КПД 'Карно, и в любом случае он значительно ниже 50% что считалось вполне приемлемым для тепловой фашины.

Несмотря на то что КПД современных термоэлектрических генераторов очень мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого типа генераторов. Например, уравнения (7.24), (3.3.6) и (3.3.9) показывают, что если удастся достигнуть величины добротности 0,005 на 1 К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора увеличится с 7 до 31 Последует заметить, что температурные изменения добротности могут благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского коллектора и термоэлектрического генератора (смотрите рисунок 3.3.1). Максимальная температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При температуре 7 - 400 К Z = 0,002 на 1 К получаем п = 1,27, и соответственно суммарный КПД составляет около 3,5%. Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы фактически обусловлена входящим в ее состав генератором. Мы видели, что при отборе энергии КПД плоского коллектора падает. Систему на основе плоского коллектора и термоэлектрического генератора можно сравнительно легко построить по аналогии с системой коллектор - тепловая машина. При Z = 0,002 на 1 К и максимальном КПД выходная мощность системы зависит от интенсивности солнечной энергии, как показано на рисунке 3.3.1.

Рисунок 2.3.1 Каскадное соединение термоэлектрических элементов

В этом случае при потоке солнечной радиации 800 Вт/м² выходная мощность с поверхности коллектора с использованием нейтрального поглотителя составляет около 6 Вт/м². Следовательно, суммарный КПД равен 0,75%. Такое устройство с использованием термоэлектрических элементов из сплава висмут - сурьма и сурьмянистого цинка было построено еще в 1954 г. доктором Телкес, его КПД составлял 0, б%. Использование селективного поглотителя при тех же условиях работы позволяет повысить КПД до 1,4%.

Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная энергия используется для нагревания соответствующих устройств, принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь незначительная доля падающей солнечной энергии[6]. Даже по самым оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.

Таким образом, мы подошли к такому положению, когда дальнейшее исследование устройств для преобразования энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным. В одном из таких устройств, которому отводится важное место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект.

3. Фотоэлектричество

Математическое описание фотоэлектрического эффекта было сделано Эйнштейном в 1905 г. В 1887 г. Герц впервые сообщил о взаимодействии фотона света с электроном металла, и результате которого электрон приобретает энергию* достаточную, чтобы покинуть пределы металла. При значительном количестве таких электронов их можно собрать на другой металлической поверхности и через внешнюю цепь вернуть к исходной поверхности, подобно тому, как это происходит в термоионном генераторе. В таком случае отпадает необходимость в тепловой стадии преобразования энергии, поскольку; энергия сообщается непосредственно электрону, и следовательно, подобная система должна иметь более высокий КПД.

Сначала исследуем работу фотоэмиссионного генератора. а затем рассмотрим важный с практической точки зрения метод генерирования фотоэлектричества с помощью полупроводникового диода. Мы увидим, как благодаря последним достижениям науки наконец-то удалось осуществить давнюю мечту - избежать определенных термодинамических ограничений, обусловленных наличием тепловой стадии в процессе преобразования энергии.

3.1 Исследование работы фотоэмиссионного генератора

На рисунке 3.1 схематически показан гипотетический фотоэмиссионный генератор.

Рисунок 3.1 Фотоэмиссионный генератор

Фотоны света попадают на его катод, проходя через проволочную сетку, выполняющую функции анода. Чтобы предотвратить влияние пространственного заряда, электроды в генераторе располагаются очень близко друг к другу.

При попадании фотона на катод его энергия поглощается электроном, который вследствие этого переходит на более высокий энергетический уровень. Если же энергия электрона превысит работу выхода катода, то электрон покидает его поверхность. Однако подобное действие оказывают не все фотоны, поскольку их энергия различна. Энергия фотона связана с частотой соотношением:

(3.1)

Учитывая, что длины волн солнечного излучения лежат в области около 1 мкм, мы можем записать это соотношение в более простом виде:

(3.1.1)

где энергия измеряется в эВ, а длина волны в мкм. Вызвать эмиссию электрона могут только фотоны с энергией, превышающей работу выхода катода. При ф_к = 2 эВ электронная эмиссия с катода возможна при длине волны света меньше 0,62 мкм. Обычно в спектре солнечного излучения у поверхности земли на долю этих длин волн приходится лишь около 30% от общей радиации. Таким образом, если бы работа выхода катода фотоэмиссионного устройства составляла 2 эВ, его КПД. не превышал бы 30%. Но как и в термоионном генераторе, по достижении анода вследствие передачи энергии колеблющимся ионам анода, а также излучения, энергия электронов уменьшается на величину ф_к - ф_а. Тогда КПД., равный 30%, соответствует лишь максимальной величине отношения (ф_к - ф_а)/ф_к. При ф_а= 1 эВ наибольшее значение КПД. падает до 15%.

Применяя электроды из других материалов с меньшей работой выхода, мы можем несколько повысить КПД, однако при этом сохраняется одно принципиально важное ограничение[7]. Рассматривая принцип действия термоионного генератора, мы отмечали, что электронная эмиссия с катода становится значительной, когда при повышении его температуры энергия электронов превышает уровень Ферми на величину ф_к. В фотоэмиссионном генераторе необходимую энергию приобретают лишь те электроны, на которые непосредственно воздействует радиация; энергия же остальных электронов, а также ионов кристаллической решетки остается на уровне, определяемом температурой катода. Даже возбужденный электрон вскоре теряет свою энергию в процессе взаимодействия с соседними электронами, обладающими меньшей энергией. Поэтому лишь небольшая часть электронов, возбужденных вблизи поверхности катода или рассеянных в наружном направлении, может вырваться с его поверхности. В результате КПД. подобных устройств составляет даже не 15%, а всего лишь 0,15%. Поэтому катод следует нагревать с помощью концентратора. Таким образом, вновь возвращаемся к термоионному генератору.

Столь низкий КПД. фотоэмиссионных генераторов является причиной того, что при исследовании вопросов получения энергии им отводится незначительная роль, хотя, возможно, используя какие-то оригинальные конструкции катодов с тонкими пленками, их КПД. можно значительно повысить. Однако все эти возможности остались неисследованными «в связи с появлением фотоэлектрических генераторов.

3.2 Исследование работы фотоэлектрического генератора

Электроны с энергиями, соответствующими заполненной, или валентной зоне, не могут перемещаться, если им не сообщить энергию, достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Для преодоления запрещенной зоны электроны в таких естественных полупроводниках, как германий или кремний, должны получить энергию порядка 1 эВ. Но именно такой энергией обладают фотоны света. Принцип действия полупроводникового фотоэлектрического генератора заключается в следующем: при поглощении фотонов солнечной радиации электроны приобретают дополнительную энергию и перемещаются в зону проводимости. Энергия каждого электрона возрастает на величину, соответствующую ширине запрещенной зоны. Обычно электрон остается в этом состоянии в течении очень короткого времени. Затем он рекомбинирует с ионом, а высвобождающаяся при этом энергия идет на усиление колебании решетки или же переизлучается. Как мы знаем, усиление колебаний ионов в кристаллической решетке твердого тела приводит к повышению его температуры. Именно этого следует избегать. В фотоэлектрическом генераторе возбужденные светом электроны проходят через полупроводниковый материал и успевают отдать избыток энергии полезной нагрузке, прежде чем израсходуют его на другие взаимодействия. Пытаясь избежать стадии превращения солнечной энергии в тепловую энергию, мы надеемся освободиться от определенных термодинамических ограничений, но, к сожалению, природа воздвигает перед нами новые препятствия.