Lęšiniai saulės elementai, jų tipai ir veikimas

REFERATAS

Įvadas

Saulės baterija, saulės lęšinis elementas, fotovoltinė saulės baterija/elementas – prietaisas, verčiantis saulės energiją elektros energija. Procesą įgalina fotovoltinis efektas. Saulės baterijų ir saulės energijos technologijų sritis vadinama fotovoltika, o fotovoltine baterija gali būti vadinamas ir prietaisas, kurio energijos šaltinis nebūtinai saulės šviesos. Saulės elementų sistemos vadinamos saulės moduliais, kurie savo ruožtu gali būti sujungiami į fotovoltinę sistemą.

Saulės elementų pritaikymas labai platus. Pavieniai elementai naudojami kaip energijos šaltiniai mažiems elektroniniams prietaisams, pvz., skaičiavimo mašinėlėms. Fotovoltinės sistemos priskiriamos atsinaujinantiems energijos šaltiniams ir yra ypač naudingos regionuose, kur energijos perdavimas elektros tinklais neįmanomas, pvz., dirbtiniuose Žemės palydovuose, kosminėse stotyse, atokiuose radiotelefonuose ar vandens pumpavimo įrengimuose.

Tikslas :

Išsiaiškinti, kas yra lęšiniai saulės elementai, koki jų tipai ir veikimas.

Uždaviniai:

Kaip gaminami saulės elementai, iš ko?

Kas yra saulės elementas, iš ko jis sudarytas, jo charakteristika?

Nustatyti lęšinio saulės elemento sandara ir naudingumas?

Išsiaiškinti lęšinių saulės elementų tipus ir jų veikimo principus?

Rasti foto elementų pritaikymo sritis?

Turinys

Įvadas 2

2.Žaliavos iš ko gaminami foto elementai (saulės elementai) 5

4. Saulės elementų charakteristikos 7

5. Saulės elementų tipai 11

5.1 Sferiniai- lęšiniai saulės elementai 11

Stiklinė sfera, pagerinanti Saulės energijos elementų efektyvumą. Tiek fotovoltiniai elementai, tiek ir Saulės energijos koncentravimo technologijos yra nuolat tobulinamos, o ypač pastaruosius keliolika metų, vis didėjant aplinkos neteršiančios energijos generavimo poreikiams. 11

5.2Veidrodiniai saulės elementai 12

6. Pritaikymas 13

Foto elemento sukūrimas.

Fotovoltinės saulės baterijos yra sudaryti iš plono silicio diskų, kurie paverčiantys saulės šviesą elektra. Šie diskai veikia, kaip energijos šaltiniai įvairioms reikmėms, įskaitant: skaičiuotuvus ir kitą smulkią techniką, telekomunikacijas, ant stogų, ant individualių namų ir apšvietimo, siurbimo ir medicinos. Saulės elementų didelių masyvų forma yra naudojami elektros palydovų, ir neretais atvejais, siekiant užtikrinti elektra elektrinėse.

Kai foto elektros tyrimai prasidėjo jie tobulėjo nuostabiai greitai. Jau 1839 metais Antoine-Cesar Becquerel sukūrė cheminį akumuliatorių ir pamatė kad tai gamina įtampą. Šis pirmas išradimas saulės šviesos elektros energijoje buvo vienas procentas veiksmingumo. Tai yra, vienas procentas įeinančios saulės spindulių, kurie buvo paversta elektros energija. Willoughby Smith 1873 atrado, kad selenas buvo jautrus šviesai. O 1877 metais pažymima, kad selenas, esant šviesos srautui, sukuria elektros srovę. Charles Fritts, 1880 metais taip pat naudodamas auksą ir seleną padarė pirmą saulės elementą, vėl tik vienas procentas veiksmingumo. Nepaisant to, Fritts pradėjo, Foto elektros revoliucija. Jis įsivaizdavo nemokamą saulės energiją, prognozavo, kad saulės elementai pakeis elektrines.

Su Albert Einstein ‘s paaiškinimo 1905 metais fotoefektas – metalas sugeria energiją iš šviesos ir išlaikys tą energiją. Kad saulės elektros efektyvumas taptų įmanomas. Nedidelė pažanga padaryta, tačiau, kol tyrimai diodų ir tranzistorių srity davė būtinų žinių Bell mokslininkai Gordonas Pearson, Darryl Chapin ir Cal Fuller 1954 m. pradėjo gaminti silicio saulės elementus – keturių procentų turinį efektyvumą. Tolesnis darbas apakėlė efektyvumą iki 15 proc.

Saulės elementais buvo visiškai patenkinti, toks energijos kiekis dar nebuvo sukurtas, ir saulės elementai tapo sėkmingai vystoma energiją. Dirbtinių palydovų sistemos maitinamos būtent tokiais foto elementais. O baterijos buvo per sunkios, kai kiekvienas gramas rūpėjo. Saulės elementai suteikia daugiau energijos už gramą svorio, nei visų kitų įprastų energijos šaltinių, ir jie yra ekonomiški.

Tik keletas didelio masto foto elektros sistemų buvo sukurtos. Dauguma saulės elementų kuriama atokiose vietose, kurios neturi kitų galimybių, tačiau saulės elementai teikia tik apie 1% visos pasaulio elektros energijos. Mokslininkai teigia, kad saulės spinduliuotės, pasiekiančios į Žemės paviršių, suma kasmet galėtų lengvai aprūpinti visus mūsų energijos poreikius keletą kartų, tačiau saulės elementai turi nueiti ilgą kelią, kol jie atitiks Charleso Fritts svajonę ,,nemokamai visiškai prieinamos saulės elektros energijos‘‘ , [1] [1]http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html

2.Žaliavos iš ko gaminami foto elementai (saulės elementai)

Pagrindinis komponentas saulės elementų yra grynas silicis, kuris yra ne grynas savo natūralios būklės.

1pav. Saulės elementų, žaliavos-silicio dioksidas arba kvarcitas.

Silicis nepaprastai stipriai susijungęs su deguonimi; todėl norint gauti silicį iš jo dioksido, reikia labai energingo reduktoriaus. Laboratorijos sąlygomis amorfinis silicis gaunamas Beketovo būdu. Tam smulkaus kvarco smėlio ir magnio miltelių mišinys supilamas į sunkiai lydomą mėgintuvėlį ir, įstačius į mišinį magnio juostelę, uždegamas: [2]

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO + 372 kJ

Grynas silicis yra kilęs iš tokių silicio dioksidų, kaip: kvarcitas žvyro (gryniausia silicio) arba smulkinto kvarco. Gautas grynas silicis tada, kai su priedais, (atskiriami) su fosforu ir boru. Silicio diskai blizga ir reikalauja neatspindinčia danga, paprastai titano dioksidas.

3. Sandara saulės elemento.

Tipišką saulės elementą sudaro sekli pn sandūra, prie vieno puslaidininkio plokštelės paviršiaus sudaroma naudojant difuzijos ar epitaksijos procesus. Plokštelės pusėje su sandūra yra sukuriamas siaurų krūvininkus surenkančių kontaktų tinklas, ji yra papildomai dengiama dielektriniu skaidrinančiu ir šviesos atspindį sumažinančiu sluoksniu. Priešingoje plokštelėpusėje kontaktas dažniausiai yra ištisinis; siekiant sumažinti krūvininkų rekombinaciją prie šio kontakto papildomai legiruojant (p+) yra sukuriamas vidinis elektrinis laukas, atstumiantis skyles toliau nuo paviršiaus (Krotkus 2008). Saulės elemento schema pavaizduota 2 paveiksle. [2] https://lt.wikipedia.org/wiki/Silicis#Silicio_gavimas

Pagrindas saulės elementų – silicis (lot. silicium) cheminis elementas periodinėje elementų lentelėje, žymimas Si. Silicio atominis skaičius – 14. Plonos plokštelės, išpjautos iš silicio monokristalų, naudojamos šiuolaikinėje technikoje, mūsu atveju, saulės elementuose, paverčiančiuose Saulės spindulių energiją elektros energija.

Gali būti naudojami įvairių tipų saulės elementai: monokristalinio silicio, polikristalinio silicio, amorfinio silicio (plonaplėviai), iš kitų įvairių medžiagų (ne silicio) pagaminti plonaplėviai daugiasandūriniai (multijunction) elementai. Kol kas dažniausiai naudojami kristalinio silicio elementai (>90 %), kurių efektyvumas siekia 16–17 %. Tačiau palaipsniui didėja plonaplėvių daugiasandūrinių saulės elementų gamyba ir naudojimas. Laboratorijoje jau gautas daugiasandūrinio elemento efektyvumas siekia 55 % (Adomavičius 2010). Teoriškai galima pasiekti ir didesnį efektyvumą. Saulėtą be debesų dieną į plokštumą, statmeną saulės spinduliams, krentantis saulės spinduliuotės intensyvumas (apšvieta) siekia apie 1 kW/m2 . Tai reiškia, kad esant tokiomis sąlygoms ir dabartiniam efektyvumui fotoelektros modulis, sudarytas iš kristalinio silicio elementų, gali tiekti iki 170 W elektrinę galią iš 1 m2 . Padidėjus fotoelektros modulių efektyvumui ši galia sieks apie 500 W ir daugiau (Adomavičius 2010).

2 pav. Saulės elementas su pirštų tipo kontaktais apšviestoje plokštelės pusėje. 1 – Saulės šviesa; 2 – viršutinis kontaktas; 3 – n – tipo sluoksnis; 4 – pn sandūra; 5 – p + tipo sluoksnis; 6 – apatinis kontaktas

Puslaidininkis sugeria tik tą šviesą, kurios kvanto energija yra didesnė už draustinių energijų tarpą EG. Fotogeneruoti krūvininkai ne tik panaudoja savo energiją elektros kūrimui, bet ją ir išsklaido termalizuodamasi. Todėl, atsižvelgus į Saulės spektrą, buvo nustatyta, kad optimalus puslaidininkio draustinių energijų tarpas turi būti apie 1,4 eV. Saulės elementų našumą sumažina ir kiti faktoriai: krintančios šviesos atspindžiai, ne visi sugerti kvantai generuoja krūvininkų poras; fotogeneruotų krūvininkų rekombinacija tūryje, bei paviršiuje (Juška, Tamulaitis 2008)

4. Saulės elementų charakteristikos

Parašę srovės šaltinio ir diodo sujungimo mazgui lygtį pagal I Kirchhofo dėsnį, gauname tokią išraišką (Petrauskas, Adomavičius 2012):

(1.1)

čia IFM – fotosrovė; ID – srovė per diodą; I0 – sklaidos srovė; A – idealumo faktorius; q – elektrono krūvis; kB – Bolcmano dujų konstanta; T – temperatūra; RSR – nuoseklioji varža, kuri priklauso nuo silicio plokštelės; RSH – lygiagrečioji varža, kuri priklauso nuo silicio paviršiaus medžiagos nehomogeniškumo ir elemento kraštų efekto įtakos

Elektrotechniniu požiūriu lygiagrečioji ir nuoseklioji vidaus varžos daro neigiamą įtaką. Dėl šių varžų sumažėja fotoelektros elemento naudingumo faktorius. Idealiu atveju nuoseklioji varža RSR turėtų būti lygi nuliui, lygiagrečioji RSH – begalybei. Realių fotoelektros elementų šios varžos kinta taip: RSR = 0,05÷0,5 Ω, RSH >10 Ω. Fotoelektros elemento voltamperinės charakteristikos priklauso nuo dviejų išorinių ir trijų vidinių parametrų. Išoriniai parametrai yra apšvieta E ir temperatūra, vidiniai – lygiagrečioji varža RSH, nuoseklioji varža RSR ir idealumo faktorius A. Kai šie parametrai nekinta, fotoelektros elemento galia priklauso tik nuo apkrovos varžos RL, o didžiausia galia gaunama taške, kai RL = ROPT.

Fotoelektros elemento voltamperinės charakteristikos turi tris būdingus taškus – trumpojo jungimo, tuščiosios veikos ir suderintojo režimo (didžiausios galios).

Trumpai sujungto fotoelektros elemento įtampa U = 0, todėl iš (1.1) lygties gauname (Petrauskas, Adomavičius 2012):

(1.2)

Praktikoje laikoma, kad trumpai sujungto fotoelektros elemento srovė IK lygi fotosrovei IFE ir yra tiesiai proporcinga apšvietai E:

(1.3)

čia K – nuo fotoelektros elemento tipo priklausanti konstanta. Tuščios eigos įtampa U0 priklauso tik nuo pn sandūros potencialinio barjero aukščio ir tiesiogiai priklauso nuo fotoelektros elemento temperatūros. Idealiu atveju, jei visi fotogeneruoti krūvininkai yra pilnai išskiriami sandūros elektrinio lauko ir nėra rekombinacijos, tai jų sąlygota trumpo jungimo srovė (Nelson 2006):

(1.4)

kur G – krūvininkų fotogeneracijos greitis. Kaip matyti iš 4 pav., didžiausia galia P = IU pasiekiama ties įtampa Um. Dydis FF, vadinamas užpildos faktorium, kuris gali siekti iki 85%:

(1.5)

čia: Im ir Um yra srovė ir įtampa darbo taške; I ir U0 trumpojo jungimo srovė ir atviros grandinės įtampa.

3 pav. Apšviesto saulės elemento voltamperinė ir galios charakteristikos

Elemento efektyvumas η, kai Saulės apšvietos galios tankis P0:

(1.6)

Realiai užpildos faktorius, o tuo pačiu ir elemento efektyvumas, mažėja dėl baigtinės elektrodų R ir nuotėkio Rv varžų. R varžą sąlygoja n ir p sričių varžos. Ją galima sumažinti didinant legiruojančių priemaišų koncentracijas, bet tai mažins krūvininkų gyvavimo trukmes, taigi ir elemento efektyvumą.

Tūrinė rekombinacija mažina šalutinių krūvininkų gyvavimo trukmę, o tuo pačiu jų difuzijos nuotolį. Tai mažina spektrinį jautrį silpnai sugeriamai šviesai, o jei difuzijos nuotolis bus mažesnis už nuotolį nuo paviršiaus iki sandūros, tai nukentės spektrinis jautris ir stipriai sugeriamai šviesai (α d >>1, kur α – sugerties rodiklis, d – pn sandūros gylis). 5a pav. parodyta sandūros gylio įtaka silicio saulės elemento kvantinio efektyvumo spektrui, kai šalutinių krūvininkų difuzijos nuotolis 1µm, o 5b pav. – paviršinės rekombinacijos spartos įtaka (Nelson 2006)

Kuriant saulės elementus stengiamasi sumažinti išvardintų priežasčių įtaką, bet nepavyksta pasiekti teorinės efektyvumo vertės.

4 pav. Kvantinio efektyvumo spektrinis pasiskirstymas, esant skirtingiems pn sandūros gyliams – (a), paviršinės rekombinacijos spartoms Sn (m/s) – (b) (Nelson 2006)

Žiūrint į ateitį, plačiam taikymui kristaliniai saulės elementai dėl savo brangumo ir sudėtingos technologijos turėtų būti nukonkuruoti plonasluoksnių elementų. Jau pradėti naudoti amorfinio hidrogenizuoto silicio (a-Si:H), mikrokristalinio silicio (μc-Si:H), polikristalinio silicio (p-Si), kadmio telūrido (CdTe) ir vario indžio diselenido (CuInSe2), o pastaruoju laiku ir organinių polimerų pagrindu sukurti saulės elementai, mažiau negu mikrono storio užgarinti ar cheminiu nusodinimo būdu pagaminti sluoksniai. Tai leidžia gaminti didelio ploto ir pigius saulės elementus. Jų veika šiek tiek skiriasi nuo monokristalinių ar polikristalinių Si ar GaAs saulės elementų. Tai sąlygota to, kad vidinio elektrinio lauko prasiskverbimo nuotolis palyginamas su sluoksnio storiu, taigi krūvininkų pernašą lemia jų dreifas, o ne difuzija. Kitas skirtumas – tarpkristalitiniuose paviršiuose susikaupia priemaišos, susidaro potencialiniai barjerai. Iš vienos pusės, tai gerina fotogeneruotų krūvininkų išskyrimą, mažina ominį laidumą, bet iš kitos pusės – mažina krūvininkų judrį ir gyvavimo trukmę, taigi difuzijos ir dreifo nuotolius (Nelson 2006).

5. Saulės elementų tipai

Visi saulės elementai sudaryti iš to paties silicio n-p puslaidininkiu sandūrų. Žinoma kad puslaidininkio charakteristikas pagrinde apibrėžia šiluma. Todėl saules elementų tipai skirstomi pagal jų galimybes, Saulės elementas su pirštų tipo kontaktais apšviestoje plokštelės pusėje yra paplitęs labiausiai, Sferiniai – lęšiniai saulės elementai atsiradę neseniai kadangi sfera ar lęšis sukuria didelį šviesos srautą i nedideli plotą, to eigoje atsiranda didelė temperatūra. Kas iki šiol buvo problema. Dar naudojama Veidrodiniai saulės elementai jiems taip pat reikalingas atsparumas temperatūrai.

Prof. E. Šatkovskio komentaras

Fotoelektros pažangą ateityje didžiąja dalimi lems jos konkurencingumas su kitų rūšių energijos šaltiniais, t.y. kokia bus instaliacijos ir eksploatacijos kaina. Siekiant sumažinti kainas, reikia mažinti saulės elementų gamybos kainą ir didinti jų efektyvumą. Elementų efektyvumą sudaro gaunamos elektros energijos ir patenkančios į elementą saulės energijos santykis.

Silicio saulės elementai užimą didžiąją gaminamų saulės elementų dalį. Jie pradėti gaminti ir Lietuvoje. Gaminamų pramoniniu būdu elementų efektyvumas yra 15-18%. Tuo tarpu vidutinis teorinis efektyvumas vertinamas 31 %.

5.1 Sferiniai- lęšiniai saulės elementai Stiklinė sfera, pagerinanti Saulės energijos elementų efektyvumą. Tiek fotovoltiniai elementai, tiek ir Saulės energijos koncentravimo technologijos yra nuolat tobulinamos, o ypač pastaruosius keliolika metų, vis didėjant aplinkos neteršiančios energijos generavimo poreikiams.

Paprastai fotovoltiniai elementai yra montuojami gana dideliuose plotuose – saulės energijos elektrinėse, kur jie automatiškai seka Saulės judėjimą arba spinduliai veidrodžiais koncentruojami į bokštą su kaitinamu skysčiu.

Architektas Andre Broeselis (André Broessel) iš Barselonos pasiūlė dar vieną Saulės energijos koncentratoriaus prototipą – stiklinę sferą, pripildytą vandens.

Ji veikia kaip didelis lęšis, nukreipiantis spindulius į nedidelį plotą, kuriame yra aukštai temperatūrai atsparus silicio saulės elementas. Prototipas turi ir šviesos šaltinio sekimo sistemą, kuri keičia saulės elemento vietą taip, kad jis nuolat būtų židinyje. Kadangi didžiausia tokios Saulės jėgainės dalis – sfera – išlieka nejudanti, ji yra kompaktiška, o valdymo sistema turi keisti tik nedidelio ir lengvo saulės elemento vietą.

Įdomu, kad gana didelio ploto sfera sugeba surinkti pakankamai šviesos ir apsiniaukusią dieną, ir net gali veikti naktį, apšviesta Mėnulio, tik, be abejo, ne tai efektyviai, kaip dienos metu.

Tradicines baterijas su plokščiais saulės elementais reikia pastoviai nukreipinėti į saulę. Naują prieigą pasiūlė japoniška kompanija Kyosemi. Jos elementai “Sphelar” sudaryti iš 1 mm diametro sferinių silicio ląstelių. Tokios konstrukcijos dėka saulės spinduliai daro poveikį bet kokiu kampu. Be to, 20% didėja efektyvumas. Tarp kitų šios konstrukcijos privalumų reikia pažymėti galimybę sukurti plonas, elastines ir gana praktiškas baterijas. Tokias baterijas galima net įmontuoti į pastatų langus arba padengti jomis dideles konstrukcijas, mažinant tuo pačiu pastato išlaikymo išlaidas.

5.2Veidrodiniai saulės elementai

Veidrodiniai saulės elementai principu yra beveik identiški, kaip ir lęšiniai, tačiau

šviesos srautą koncentruoja ne lęšis o veidrodis kuris arba yra išgaubtas arba tiesiog atsuktas į fotovoltinį elementą.

Toki saulės elementai yra paplitę pusiaujo regione. Kur saulės tekėjimo trajektorija yra visiškai per dangaus centrą. Taip aplink bokšte esantį fotovoltine lementa išdėstomi veidrodžiai, kurie koncentruoja spindulius i vieną tašką. Taip išgaunamas didelis efektyvumas.

6. Pritaikymas

Pritaikymas yra labai platus kadangi elektros energijos reikia visur ir visada, pradedant saules energijos elektrinėmis ir baigiant skaičiavimo mašinėlėmis ar dar kuo smulkiau pvz. kaip raktų pakabukas.

Kadangi fotovoltinius elementus pagaminti yra ganėtinai brangu, tai ši energijos šaka nėra labai sparčiai plėtojama daugumoje silpnų šalių. Tačiau jau ir Lietuvoje yra pradėti gaminti šie elementai.

Gilioje ateity tikimasi, kad visa elektros pasaulinė sistema atsistotų ant ekologiškos energijos.

Išvados

Tipišką saulės elementą sudaro sekli p-n sandūra, prie vieno puslaidininkio plokštelės paviršiaus sudaroma naudojant difuzijos ar epitaksijos procesus. Plokštelės pusėje su sandūra yra sukuriamas siaurų krūvininkus surenkančių kontaktų tinklas, ji yra papildomai dengiama di elektriniu skaidrinančiu ir šviesos atspindį sumažinančiu sluoksniu. Priešingoje plokštelės pusėje kontaktas dažniausiai yra ištisinis; siekiant sumažinti krūvininkų rekombinaciją prie šio kontakto papildomai legiruojant (p+) yra sukuriamas vidinis elektrinis laukas, atstumiantis skyles toliau nuo paviršiaus

Saulės elementas yra prietaisas kuris šviesos energija paverčia elektros energija . sudarytas priklausomai nuo tipo, tačiau dauguma naudoja silicio puslaidininkius.

Foto elementai pritaikomi vis labiau, ten kur reikalinga elektra, tiek laikrodžiai, pakabukai ar automobiliai ar net karo pramonė ir medicina.

Daugiausiai naudojami saules elementai yra saules energijos elektrines.