|Co |K-14 |K-12 |Fe3О4-500 |
|Pd |Pd-8 |Pd-6 |FeS2-430 |
|Pt |Na-7 |Pb-0.1 |MoS-200 |
|U |Pt-5 |Sn+0.1 |CuO-139 |
|Au |Hg-5 |Rh+2.5 |CdO-41 |
|Cu |C-3.5 |Zn+2.9 |CuS-7 |
|Rh |Al-1.5 |Mo+5.9 |FeS+26 |
|Ag |Rh+1 |Fe+16 |CdO+30 |
|Zn |Zn+1.5 |Sb+35 |NiO+240 |
|C |Ag+1.5 |Te+400 |Mn2О3+385 |
|Cd |Au+1.5 |Se+1000 |Cu2O3+474 |
|Сталь |Cu+2.0 | |CuO+1120 |
|Fe |W+2.5 | | |
|As |Fe+12.5 | | |
|Sb |Sb+42 | | |
|SbZn |Si+44 | | |
| |Te+49 | | |
|Примечание: Величина термо-ЭДС дана в мкВ/град. |
Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из
соотношения
P=S(T1-T2)I - I2R,
где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.
Если считать неизменными другие величины, значение КПД определяется
только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала
растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z
характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого
добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ
применяют легированные полупроводники, для которых добротность при
определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре
нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет
лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.
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, если удастся достигнуть величины добротности
0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора
увеличится с 7 до 31%.
Следует заметить, что температурные изменения добротности могут
благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского
коллектора и термоэлектрического генератора (рис. 10). 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 Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К 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 обусловлена входящим в
ее состав генератором.
[pic]
Рис. 10. Термоэлектрический генератор с плоским коллектором.
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. Даже по самым
оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.
Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования
энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным.
В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное
место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован
магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования,
а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что
его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут
описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие
заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации
без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то
есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.
Глава 2. Фотоэлектрические генераторы.
В преобразователях световой энергии в электрическую используется
фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная
с 1888 г. Столетовым.
Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с
поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки
внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под
действием света, падающего на границу металл — полупроводник (или n-
полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение
тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).
Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте
рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам,
рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного
пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего
0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании
вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится
незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные
конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности
остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических
генераторов использующих вентильный фотоэффект.
Вентильный фотоэлектрический генератор.
Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся
разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС)
при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и
металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).
Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства
полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов
— приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.
Рис. 11. Принцип действия солнечного электрогенератора.
Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888г., т.е. со времени
открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако их КПД при
использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с
различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты.
Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем.
Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны
из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-
полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в
обратном направлении.
В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается
нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-
полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный
объемный заряд неподвижных ионов (рис. 11). Эти объемные заряды образуют у
границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого,
направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу
электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п.
Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в
нем происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-
дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея
возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же
легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит
рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, обладая, подобно элементам с
внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности
излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность
(см. табл. 6) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных
фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-
серебряные и др.
Таблица 6
Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов
|Фотоэлементы |Максимальная чувствительность, |
| |мкА/лм |
|С внешним фотоэффектом |150 |
|Меднозакисный |100 |
|Селеновый |600 |
|Сернистосеребряный |8000 |
|Сернистоталлиевый |11000 |
|Германиевый |30000 |
|Кремниевый |35000 |
Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост.
Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой
металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма
пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь
назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть
механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного
полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель
которой заключается в создании в толще полупроводника р-n-перехода. Когда
эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев
наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий
полупрозрачный слой металла.
Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода
проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и
так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов.
Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-
перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в
процессе нанесения электрода.
Вся эта система помещается в оправку с окошком для светового потока. В
оправку вмонтированы две токовые клеммы. Одна из них соединяется с нижним
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
