ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  УСТРОЙСТВА  МАЛОЙ  МОЩНОСТИ

Попелло  Егор  Сергеевич

студент  3  курса,  архитектурно-строительный  факультет  ОГУ,  РФ,  г.  Оренбург

Е-mail :  mouse-ka001@mail.ru

Татаринова  Мария  Витальевна

студент  3  курса,  факультет  информационных  технологий  ОГУ,  РФ,  г.  Оренбург

Разработка  альтернативных  источников  энергии,  сегодня  это  основная  проблема  человечества  и  фотопреобразователи  —  одна  из  наиболее  перспективных  альтернатив.  Автономные  фотоэлектрические  системы  являются  независимыми  источниками  энергоснабжения  на  основе  альтернативной  энергии.  Электроснабжение  с  использованием  экологически  чистой  энергии  Солнца  направлено,  прежде  всего,  на  энергосбережение  имеющихся  природных  энергетических  ресурсов.  Данная  проблема,  проблема  энергосбережения,  актуальна  на  данный  момент.  Именно  это  и  обусловило  выбор  темы  исследования.

Преобразование  солнечной  энергии  базируется  на  внутреннем  фотоэффекте.  Суть  эффекта  заключается  в  том  что  под  влиянием  солнечной  энергии  происходит  перераспределение  электронов  по  энергетическим  состояниям  в  полупроводниках  и  диэлектриках.  Эффект  проявляется  в  изменении  концентрации  носителей  тока  и  приводит  к  появлению  вентильного  фотоэффекта.  В  результате  чего  происходит  увеличение  электрической  проводимости.

В  качестве  материала  для  фотопреобразователей  используется  моно-кремниевая  пластина,  КПД  для  такого  типа  кремния  составляет  ~  15—16  %.  Такой  тип  элементов  идеально  подходит  для  устройства  по  соотношению  цена/качество.  Принцип  работы  солнечного  элемента  с  p-n  переходом  заключается  в  том  что  фото-сгенерированные  в  р-области  электроны  вытягиваются  электрическим  полем  в  n-область,  и,  наоборот,  фото-сгенерированные  в  n-области  дырки  вытягиваются  электрическим  полем  в  р-область.  На  омических  контактах  возникает  разность  потенциалов,  которая  называется  напряжением  холостого  хода  U_xx.  Если  закоротить  контакты,  то  через  солнечный  элемент  потечет  ток  короткого  замыкания  I_кз.  Для  того,  чтобы  элемент  отдавал  энергию  во  внешнюю  цепь,  к  его  контактам  присоединяют  нагрузку,  которая  имеет  электрическое  сопротивление  R_н.  То  есть  солнечный  элемен  выполняет  роль  помпы,  которая  перекачивает  электроны  в  направлении  n-область-внешняя  нагрузка-р-область  [1,  с.  143].

Поскольку  вольтамперная  характеристика  такого  прибора  проходит  через  четвертый  квадрант,  то  это  значит,  что  прибор  является  источником  тока. 

Рисунок  1.  Вольтамперная  характеристика  солнечного  элемента  на  основе  p -n  перехода

Следует  отметить,  что  в  отличие  от  химических  источников  света  полупроводниковые  солнечные  элементы  не  портятся  при  электрическом  замыкании  контактов.  При  соответствующем  выборе  сопротивления  нагрузки  энергия,  вырабатываемая  солнечными  элементом,  может  достигать  80  %  от  произведения  U_xx  *  I_кз.  На  рисунке  1  показаны  также  значения  U_м  и  I_м  значение  тока  и  напряжения,  для  которых  реализуется  максимальная  выходная  мощность  Р_м  =  U_м*I_м.  Коэффициент  полезного  действия  КПД  солнечного  элемента  определяется  как  отношение  максимальной  выходной  мощности  Р_м  к  мощности  падающего  солнечного  света  Р0:  КПД  =  Р_м  /  Р₀.  Чем  больше  фотонов  солнечного  света  поглощается  солнечным  элементом,  тем  больше  будет  у  него  ток  I_кз.  Это  может  быть  достигнуто  за  счет  использования  полупроводников  с  меньшей  шириной  запрещенной  зоны  (тогда  повышается  количество  фотонов  в  солнечном  излучении,  которые  имеют  энергию  выше  ширины  запрещенной  зоны  полупроводника).С  другой  стороны,  напряжение  U_xx  определяются  высотой  потенциального  барьера  в  pn  переходе  и  будет  тем  больше,  чем  больше  ширина  запрещенной  зоны  полупроводника.  Поскольку  для  получения  максимальной  выходной  мощности  солнечного  элемента  нужно  создать  такой  элемент,  у  которого  будут  наибольшими  не  величины  U_xx  или  I_кз  отдельно,  а  произведение  Р_м  =  U_р  *  I_р,  и,  учитывая  распределение  энергии  в  спектре  солнечного  излучения,  можно  подобрать  наилучший  полупроводниковый  материал  для  создания  эффективных  солнечных  элементов  [3,  с.  73].

Экспериментальным  путем  было  определено  характеристики  образца  и  рассчитано  параметры.

Таблица  1.

Параметры  исследованного  образца

Структура  фотоэлемента  имеет  слоистый  вид 

Рисунок  2.  Структура  солнечной  панели  в  разрезе:  А)  Стекло  с  низким  уровнем  железа.  Б)  EVA   (этилен-винил-ацетат)  пленка  для  герметизации.  С)  ТРТ  (тедлар-полиэстер-тедлар)  пленка  для  упрочнения  конструкции

Для  достижения  минимальных  потерь  энергии  необходимо  подобрать  максимально  похожие  фотоэлементы.  Также  соединить  их  так,  чтобы  получить  максимально  возможную  мощность,  при  необходимых  значениях  тока  и  напряжения  (Рис.  3)  [3].  При  наличии  параметров  элементов  можно  точно  рассчитать  сколько  элементов,  какой  площади  необходимо,  а  также  способ  соединения.  Так  как:

J  =  31,53  mA/см²  »  0,032  А/см²  (1)

Найдем  площу  пластинки  необходимую  для  получения  тока  I  =  0.55  A  (минимальный  необходимый  ток  для  зарядки);

S_пл.  =  0,55  /  0,032  =  17,185  см²  (2)

Среднее  значение  напряжения  ~  0,5  В,  так  как  элементы  будут  соеденены  последовательно,  необходимо  взять  12  пластин,  при  этом  будет  получена  мощность  P_s  =  6  ×  0,55  =  3,5  Вт,  что  является  вполне  достаточно  для  нормального  процессу  зарядки  аккумуляторной  батареи  мобильного  телефона  [1].

Рисунок  3.  Электрическая  схема  устройства:  Ф  —  Фотопреобразователь,  Д  —  Шунтирующий  диод

При  таком  размещении  панелей,  каждая  из  которых  имеет  размер  (30  мм  *  60  мм).  Реальная  модель  устройства  будет  иметь  вид  книжки.

Рисунок  4.  Реальная  модель  устройства

На  данном  принципе  уже  реализованы  некоторые  устройства,  такие  как  фотоэлектрическое  зарядное  устройство  ФЗУ  5-5,  с  разъёмом  USB.

Рисунок  5.  Фотоэлектрическое  зарядное  устройство  ФЗУ  5-5,  с  разъёмом  USB

Складные  фотозарядные  устройства  (солнечные  батареи),  применяемые  для  заряда,  электропитания  мобильных  телефонов,  GPS  навигаторов,  КПК  и  других  электронных  устройств  с  соответствующими  характеристиками  энергопотребления.  Изготовлены  ФЗУ  из  монокристаллического  кремния  с  антибликовым  покрытием,  на  тканевой  основе,  срок  службы  изделия  производитель  ставит  не  менее  20  лет.  Номинал.  напряжение  5,5  вольт.  Ток  макс.  мощности  не  <  800  млА,  макс.  мощность  не  <  5  вт.

Проблема  энергосбережения  с  каждым  годом  становится  всё  более  острой  и  злободневной,  но  наука  также  не  стоит  на  месте.

Французская  компания  Wysips  представила  на  выставке  CTIA  прозрачную  фотоэлектрическую  пленку,  которая  может  быть  наклеена  на  сенсорный  экран  смартфона,  как  впрочем,  и  на  любой  другой  экран.

Рисунок  6.  Фотоэлектрическая  пленка

Пленка  не  искажает  изображение,  а  также  не  уменьшает  функциональные  возможности  тачскрина.  При  этом  новинка  обеспечивает  устройству  мощность  0,25  Вт.  По  мнению  специалистов,  участвующих  в  разработке,  новинка  способна  зарядить  смартфон  за  шесть  часов.  В  будущем  планируется  сократить  время  на  подзарядку  устройств  до  получасового  периода.  Стоимость  оснащения  одного  устройства  составит  в  районе  1  долл.

Другую,  не  менее  интересную  интерпретацию  зарядного  устройства,  представил  французский  дизайнер  Вивьен  Мюллер.  Вивьен  Мюллер  разработала  фотоэлектрическое  зарядное  устройство  PhotonSynthesis  (Фотосинтез)  для  мобильных  телефонов,  фотоаппаратов  и  другой  портативной  электроники.

Рисунок  7.  Фотоэлектрическое  зарядное  устройство  PhotonSynthesis

Зарядное  устройство  представляет  собой  дерево  с  57  листьями-солнечными  панелями,  с  помощью  которых  аккумуляторы  заряжаются  солнечной  энергией.  Накопленная  в  течение  солнечного  дня  энергия  может  быть  использована  в  любое  время  суток.  Заряжаемые  устройства  могут  быть  спрятаны  под  «почвой»  электронного  дерева,  а  все  провода  спрятаны  в  его  стволе  и  ветвях  [4].

Но  поистине  сенсацией  в  области  использования  солнечной  энергии  стала  разработка  американских  инженеров.  Проект  подразумевает  превращение  дороги  в  интерактивную  систему  под  названием  Solar  Roadways  (Солнечные  пути). 

Суть  проекта  заключается  в  замене  традиционного  дорожного  покрытия  интерактивными  панелями,  в  которые  будут  встроены  солнечные  батареи.  Эти  панели  выступят  в  роли  огромной  солнечной  электростанции,  которая  будет  снабжать  энергией  и  саму  дорожную  инфраструктуру,  и  придорожные  заведения,  строения,  небольшие  города.  Дорожная  разметка  при  этом  становится  интерактивной,  благодаря  чему  на  полотно  выводятся  любые  изображения  и  информация  [4].

Рисунок  8.  Интерактивная  панель

Реализация  проекта  предполагается  следующим  образом:  после  замены  существующего  дорожного  полотна  на  солнечные  батареи  они  накрываются  сверхпрочным  прозрачным  материалом  на  основе  стекла,  который  способен  выдерживать  постоянную  транспортную  нагрузку.  С  помощью  подобной  схемы,  по  мнению  разработчиков,  можно  сделать  ненужными  ряд  стандартных  электростанций.

Такая  дорога  будет  зимой  самоочищаться  от  льда  и  снега  благодаря  легкому  прогреву.  В  то  же  время  дорожные  знаки  приобретут  интерактивность  и  будут  управляться  от  дороги,  а  разметка  будет  высвечиваться  светодиодами,  встроенными  в  полотно.  Также  предполагается,  что  от  такого  дорожного  полотна  будет  возможна  бесконтактная  зарядка  электромобилей  [4].

Покрытие  Solar  Roadways  включает  три  слоя:

1-й  (внешний)  —  это  сверхпрочное  стекло,  которое  должно  выдерживать  массу  даже  тяжелых  грузовиков,  не  прогибаться,  чтобы  не  повредить  солнечные  панели;

2-й  —  электронный,  который  включает  микропроцессоры,  нагревательные  элементы  для  защиты  от  снега,  солнечные  панели,  подсветку;

3-й  —  коммуникационный,  через  который  добытая  дорогой  электроэнергия  будет  поступать  внешним  потребителям.

Рисунок  9.  Покрытие  Solar  Roadways

Прототип  панелей  был  тщательно  протестирован,  и  смог  выдержать  воздействие  даже  самых  тяжёлых  грузовиков.  При  этом  в  производстве  панелей  можно  использовать  переработанное  сырьё  —  прототипы  на  10%  состояли  из  переработанного  стекла. 

Также  создатели  предлагают  устанавливать  датчики  давления,  с  помощью  которых  дорога  сама  сможет  обнаружить,  например,  сломавшийся  автомобиль,  стоящий  на  полосе  движения  или  перебегающее  дорогу  крупное  животное.  Соответствующее  предупреждение  будет  выводиться  прямо  на  дорогу,  и  все  приближающиеся  к  опасному  месту  водители  его  увидят.  Если  человек  наступит  на  панели  в  полной  темноте  —  покрытие  подсветит  ему  путь  снизу.  Одновременно  с  этим  примерно  за  двести  метров  от  пешехода  для  автомобилистов  появится  предупреждение  о  переходящем  дорогу  человеке,  и  предложение  сбросить  скорость.

Рисунок  10.  Покрытие  Solar  Roadways

В  заключение,  следует  отметить,  что  современная  фотоэлектрическая  система  производит  экологически-чистую  электроэнергию,  не  загрязняющую  окружающую  среду.  Защита  экологии  и  ее  очищение  от  вредных  выбросов  углекислого  газа,  уменьшение  парникового  эффекта  —  это  важные  преимущества,  которые  дают  фотоэлектрические  модули.  Эксплуатация  солнечных  установок  не  только  позволяет  пользоваться  бесплатным  электричеством,  но  и  сокращает  выбросы  углекислого  газа  на  тысячи  тонн  в  год.  Солнечная  энергия  на  службе  у  человека  —  одно  из  современных  решений  проблемы  безопасного  энергообеспечения  «зеленой  энергией».

Список  литературы:

1.Васильев  А.М.  Полупроводниковые  фотопреобразователи.  /А.М.  Васильев,  А.П.  Ландсман.  М.:  Советское  радио,  1971.  —  246  с.

2.Официальный  сайт  Solar  Roadways  —  [Электронный  Ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.solarroadways.com/  (дата  обращения  7.02.2015). 

3.Фаренбрух  А.  Солнечные  элементы:  теория  и  эксперимент  /Р.  Бьюб,  Пер.  с  англ.  под  ред.  М.М.  Колтуна.  М.:  Энергоатомиздат,  1987.  —  280  с.

4.Электрик  Инфо  —  [Электронный  Ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://electrik.info/main/news/614-alternativnye-istochniki-energii.html  (дата  обращения  6.02.2015).