Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КПД ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Yüklə 11,09 Mb. Pdf görüntüsü
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr.
- ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
- РЕЗУЛЬТАТЫ НЕЭМПИРИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
|
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КПД ФОТОЭЛЕМЕНТОВ З. М. ИГАМКУЛОВА, А.Н. УРОЗОВ, Н.А. ТАЙЛАНОВ Джизакский Педагогический Институт, Джизак, Узбекистан
Солнечная электроэнергетика относится к восстанавливаемым источникам энергии и обладает практически безграничным потенциалом для использования с точки зрения затрачиваемых ресурсов. Она являетя одной из экологически безопасных источников энергии, “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 289
который не загрязняет окружающую среду. Сегодня отрасль солнечной энергетики переживает стремительный рост, по всему миру активно исследуются возможности увеличения КПД солнечных батарей. При этом актуальной задачей является проблема повышения коэффициента полезного действия (КПД) солнечной батарейки. Известно, что КПД солнечных батарей зависит от используемого в них материала. Более 95% солнечных панелей работают на кремниевых полупроводниках, которые обеспечивают КПД на уровне 15 − 25 % [1]. Например, КПД солнечных панелей на основе перовскита составляет 12 % [2], а для тонких пленок на основе теллурида кадмия КПД достигает 22 % [3]. Важными факторами, определяющими величину КПД являются уровень инсоляции в регионе установки, азимут и угол наклона солнечных батарей [4]. Хорошо известно, что солнечная фотоэлектрическая станция (далее – ФЭС) предназначена для обеспечения электроэнергией устройств бытового и иного назначения и представляет собой электростанцию, относящуюся к классу возобновляемых источников энергии. Принцип работы ФЭС основан на прямом преобразовании солнечного излучения в электрическую энергию с постоянным напряжением, накоплении и преобразовании её в электроэнергию переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц для использования потребителями.
Мощность потока солнечного излучения на квадратный метр, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 Вт. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с КПД 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долл за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. Ожидается, что к 2020 году себестоимость снизится до 0,15 долл. Сообщается, что в отдельных лабораториях мира получены солнечные элементы с КПД 44 %. В 2007 году появилась информация о изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду своей высокой себестоимости, над этой проблемой и работают многие учёные. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ При использовании фотоэлементов часто возникает вопрос об энергетической эффективности преобразования электрической энергии. Как мы знаем, что в практике применяется два основных режима использования фотоэлементов - непрерывный и периодический. Расчет энергетической эффективности фотоэлементов для этих режимов производится по разным методикам. Так, для оценки эффективности в непрерывном режиме используется показатель КПД. В периодическом же режиме показатель КПД не отражает картину потребления энергии. 1. Непрерывный режим “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 290
В непрерывном режиме работы фотоэлемент постоянно работает на нагрузку. Мощность этой нагрузки может изменяться во времени. Оценим влияние КПД фотоэлементов на длительность их работы. Тогда для мощности нагрузки и длительности работы имеем следующие формулы i P P
E T . P где P - мощность загрузки; P i потребляемая от аккумулятора мощность; E - доступная энергия акумулятора; Т – длительность работы нагрузки; η - показатель КПД. Видно, что время длительности работы нагрузки пропорционально КПД. Так, если в идеальном случае при η =100% время автономной работы составляет 10 часов, то при реальном значении КПД 80% время работы уменьшается на 20% и составит 8 часов. Для того, чтобы оценивать эффективность работы фотоэлемента нам нужно знать показатель КПД при произвольной мощности нагрузки. Рассмотрим теперь, предлагаемую линейную энергетическую модель фотоэлемента. Данная модель является упрощением реальных процессов, происходящих в фотоэлементе, соответственно показатель КПД, получаемый с помощью модели, имеет некую погрешность. Модель можно отобразить в виде электрической схемы, приведенной на Рис. 1. Суть схемы заключается в том, что от источника электрической энергии имеется нагрузка, отображаемая сопротивлением R n . Присутствующие на схеме сопротивления R s и R p моделируют потери энергии. R p моделирует потери холостого хода, а R s - потери за счет вносимого последовательного сопротивления. Типовой график этой зависимости приведен на Рис.2.
Рассмотрим работу фотоэлемента в области больших и малых мощностей более подробно Для упрощения расчетов рассмотрим эти случаи как отдельные режимы. 1.Область малых мощностей В области малых мощностей влияние потерь в последовательном сопротивлении R s
p . Соответственно для данного случая можно упростить модель, исключив сопротивление R s . Рассчитаем эффективность работы фотоэлемента для данного случая i p P P P P P
Рис. № 2. График зависимости КПД от выходной мощности. P
s R Áà òà ð å ÿ n R p R “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 291
где P
p - мощность потерь в сопротивлении R p . Таким образом, если принять порог эффективности 80%, то, подставляя его в формулу, получим значение мощности P min
, при котором достигается такой КПД
m i n
m i n p P 0 .8 % P P
2.Область больщих мощностей В диапазоне же больших мощностей мощность потерь P p становится незначительной по сравнению с выходной, поэтому данный вид потерь можно не учитывать и исключить R p из схемы. Тогда в качестве источника потерь остается лишь сопротивление R s . Аналогичные расчеты показывают, что в этом случае для КПД нагрузки имеем следующее выражение n i s n s R P P P P P R R
Общая мощность нагрузки при этом 2 s E P (1 ). R где P
s - мощность потерь в сопротивлении R s . Последнее выражение описывает параболу, повернутую на 90 o в системе координат. Также как и в предыдущем случае с результатами моделирования, график имеет две ветви, то есть одному значению P o соответствуют значения η. Интересующая нас верхняя ветвь графика является спадающей, то есть КПД падает с увеличением выходной мощности. Аналогично с предыдущими расчетами можно подставить пороговый КПД, для получения значения мощности P maх
, при которой КПД равен 80% 2 s E P 0 .1 6 . R
Однако часто нет необходимости производить математические расчеты для определения диапазона эффективной работы фотоэлемента в области больших мощностей, потому что фотоэлемент в данной ситуации достаточно эффективен. Во многих случаях КПД фотоэлемента определяется номинальной мощностью. А работать длительно на мощности более чем номинальная фотоэлемент не способен, поэтому указанный КПД на номинальной мощности будет минимальным, особенно в области больших мощностей. Поэтому если указанный КПД больше, чем пороговый, то фотоэлемент заведомо эффективен. Исходя из проведенного анализа для данных двух граничных режимов, построен аналитический график зависимости КПД от выходной мощности, приведенный на Рис.3. На графике сплошной линией изображена верхняя ветвь зависимости КПД от выходной мощности для модели, приведенной на Рис.1. Пунктирными же линиями изображены упрощенные зависимости для областей малой и большой мощности. Можно отметить, что как раз в этих областях пунктирные и сплошная линия сходятся, то есть упрощенные модели достаточно точно отображают исходную [5,6].
Рис. №3. Аналитический график зависимости КПД от выходной мощности. P “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 292
Исходя из полученных результатов, можно отметить, что фотоэлемент способен работать эффективно в некотором диапазоне выходной мощности, ограниченном и снизу и сверху. Причем обычно сверху диапазон выходной мощности ограничен не падением КПД ниже порога, а величиной номинальной мощности. Поэтому в дальнейшем в качестве P maх
можно использовать номинальную мощность фотоэлемента P n . Этот диапазон мощностей является важной характеристикой фотоэлемента и показывает, какой мощности можно подключать нагрузку, чтобы оставаться в области эффективной работы фотоэлемента.
Литература 1. Михеев Г.М. Электростанции и электрические сети. Диагностика и контроль электрооборудования. Г.М. Михеев. М.: ИД «ХХI Век», 2010. 224 с. 2. Аронова Е.С., Охоткин Г.П., Теруков Е.И., Шварц М.З. Особенности работы тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния. Изд-во Ч, 2011. С. 222-224. 3. Охоткин Г.П., Серебрянников А.В. Основные принципы построения автономных солнечных электростанций. Современные проблемы науки и образования. 2012. 4. Солнечная инсоляция – справочные. Альтернативная энергетика, 2018. 5. Н.А. Тайланов. Расчет энергетических параметров автономной солнечной электростанции в Арнасайском районе. Узбекский Физический Журнал, Том 20, №1, 2018. 6. Н.А. Тайланов. Вычисление энергетических параметров солнечной электростанции. Международная научная конференция. «Роль женщин в современной науке и технике» 12- 14 апреля 2017 г., Узбекистан, Джизакский Политехнический Институт, Джизак, Узбекистан.
Куйлиев Б.Т., Мейлиев Л.О., Джураева К., Кодиров А.Р., Иботова Ш.А. Каршинский государственный университет. bahromq@rambler.ru
газа. Из экспериментальных и расчетных спектров комбинационного рассеяния (КР) природного газа (ПГ) и метана [1,2] в области валентных колебаний С-Н связей углеводородов, несмотря на очень высокий уровень сигнала КР, мало пригоден для экспериментально определения молекулярного состав ПГ. Поэтому мы решили пояснить некоторые детали валентных колебаний С-Н связей низкомолекулярных углеводородов (метан, этан, пропан, бутан) при помощи неэмпирических расчетов. Это связано с тем, что структура полос в этой области спектра очень сложна и полосы метана при его подавляющем содержание в ПГ здесь доминируют. Спектры слабых полос тяжелых углеводородов на фоне очень интенсивных полос метана почти не выделяется. Особое внимание мы уделяли определеннию путем расчета С-Н колебания молекулярные компоненты ПГ метана, этана, пропана и бутана и выяснению в какой спектральной области они расположены. В связи с этим нами были предприняты расчеты оптимизированной структура мономера СН 4
4 , а также молекулы СН 4 с атомом Kr, С-Н колебании чистого этана в условиях изолированного молекул этана, С-Н колебание чистого пропана в условиях изолированного молекул пропана и С-Н колебание чистого бутана в условиях изолированного молекул бутана. Расчеты были выполнены на основе программы Gaussian 98W в приближении Хартри-Фока с базисным набором гауссовских функций RHF 6- 31G (d,p) [3].
“Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 293
Расчетные спектры комбинационного рассеяния С-Н колебании метана в условиях изолированного метана для мономера и димера приведены на рисунке
а) б)
Рисунок.1. Расчетные КР спектры С-H колебании чистого метана в условиях изолированного молекул метана (а-для мономера и б-для димера). Результаты расчета потверждают, что действительно частоты С-Н колебаний тяжелых углеводородов (этан, пропан и бутана) лежат в спектральном области 2500÷3500 см -1
наблюдается в области комбинационных частот 2500÷3500 см -1 , где располагается система колебательных полос. В этой сложной системе полос выделяется очень интенсивная Q-ветвь колебательной полосы ν 1 (А
) метана с частотой ν 1 =2916,5 см -1 . Полоса ν 1 (А
) в спектре КР метана является первой полосой КР, вращательная структура которой была разрешена. Однако большинство экспериментальных и теоретических работ связано с трижды вырожденными ИК – полосами, которые изучались в течение многих лет. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что проведение количественных и качественных анализов для определения молекулярных компонентов ПГ а также содержания сопутствующих газов и жидкостей в низкомолекулярных углеводородах требуют исследований с более низкочастотной стороны спектра КР, в которой расположены колебательная полосы С-С связей углеводородных компонентов природного газа. Литература “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 294
1.
Buldakov M.A., Korolkov V.A., Matrosov I.I., Petrov D.V., and Tikhomirov A.A. Analyzing natural gas by spontaneous Raman scattering spectroscopy // J.Opt. Technol. 80 (7), July 2013. РР.426-430 2.
Kuyliev B.T., Orlova N.D., Pozdnyakova L.A., Tukhvatullin F.H., Jumabaev A.. The 1 band contour in Raman spectra of methane and its gaseous mixtures with Kr and Ar // Ukrainian Journal of Physics. 2007. V.52. №5. P.445-448 3.
Frisch M.J., Head-Gordon M., Pople A. // J. Chem. Phys. 1990.141, 189. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА В ДИОДНОМ РЕЖИМЕ
Тураев Акмал Атаевич доктор философии (PhD) БухГУ, Узбекистан. Несмотря на то, что полевой транзистор работает в режиме запирания переходов входная характеристика отдельно взятого перехода затвор-исток совпадает с характеристикой диодного
Поэтому полевой транзистор можно рассматривать как диод с отсекаемой слоем объемного заряда базой, что до сих пор остается мало-изученным, в особенности в новых приложениях как фотоприемник, датчик температуры. Для этого рассмотрим его входные вольтамперные характеристики. По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p-n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока под-ключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области. Введение носителей заряда через p-n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители яв-ляются неосновными, происходит инжекция носителей заряда. При протека-нии прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжек-тируются дырки, а из электронной области, в дырочную – электроны. Ин-жектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением назы- вают эмиттером, слой в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда – базой. При подаче прямого напряжения на переход затвор-исток ток экспо-ненциально будет увеличиваться
exp
0
(1) переходя на линейную зависимость, рис.1. Коээфициент неидеальности равен 1.82, что указывает на механизм то-копереноса связанный с генерацией носителей в области объемного заряда. В режиме запирания р-п- перехода обратный ток до напряжений 1.0 В возрастает и затем выходит на насыщение с током 2.10 9
А. То есть, протекает очень маленький ток, обусловленный перебросом (экстракцией) суммарным электрическим полем на границе раздела неосновных носителей возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Этот ток имеет дрейфовую природу и представляет собой обратный ток р-n-перехода. “Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr. 295
Рис.1. Прямая ветвь вольтамперной характеристики затвора в полулогарифмическом масштабе Расчет вольтамперной характеристики в предположении генерацион-ного механизма свойственного р-n-переходам на основе полупроводников типа кремния и арсенида галлия
2 0 ,
(2) де i n -собственная концентрация носителей; n p S -площадь р-n-перехода затвора; - время жизни неосновных носителей р-n-перехода. Исследования вольтамперных характеристик перехода затвор-исток показывают, что они отличаются в прямом направлении малыми токами продолжающихся до 0.55 В и затем сравнительно резко переходящих на рост тока. В обратном направлении участок роста тока расположен в узком диапазоне до 1.0 В и далее выходит на насыщение с малыми токами порядка 2 нА. Это обстоятельство создает условия для работы в режиме прямого смещения. В измеренном интервале температур от -90 до +60 градусов Цельсия имеем падение напряжения от 0.85 В до 0.51 В для разности температур 150 градусов, соответственно температурный коэффициент напряжения состав-ляет 0.0023 В, то есть 2.3 мВ/град, что в два и более раза больше чем в диодных структурах. Литературы 1. Аксененко М.Д. и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1984. - с.209. 2. A.V. Karimov, D.R. Dzhuraev, Sh.M. Kuliev, and A.A. Turaev. Distinctive features of the temperature sensitivity of a transistor structure in a bipolar mode of measurement. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 89, No. 2, March, 2016. P.514-517. 3. A.V.Karimov, D.R.Djurayev, A.A.Turaev. Physical-technological aspects of a multifunctional sensor based on a field-effect transistor. World Journal of Engineering Research and Technology, 2017, Vol. 3, Issue 2, 57-63. 4. Вартанян С.П. Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии. Московский государственный университет печати. 2000, с.187. (74-96) 5. Лыков А.И., Синицын В.С., Савельев А.А. Радиационное управление свойствами первичных преобразователей температуры // Труды Одесского политехнического университета. 2004. Вып. 1. с.1-2. 6. R.J.M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoof, R. Mertens // Micropower energy harvesting. Solid-State Electronics, V.53, 2009, pp.684–693. 7. Каримов А.В., Ёдгорова Д.М., Каманов Б.М., Тураев А.А. Фотовольтаический эффект в диодном режиме включения полевого транзистора // Гелиотехника. 2015, №4, С.87- 90.
Yüklə 11,09 Mb. Dostları ilə paylaş:
|