Сдавался/использовался | 1. МАИ, 1994г. |
Загрузить архив: | |
Файл: phtogen.zip (75kb [zip], Скачиваний: 112) скачать |
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ.
Для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на КЛА широко используются ФЭП; они предназначены также для подзарядки бортовых химических АБ. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США), совершившего перелет через пролив Ла-Манш.
В
настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - искусственные
спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды
и другие КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок службы; достаточная аппаратурная
надежность; отсутствие расхода активного вещества или топлива.
Недостатки ФЭП: необходимость устройств для ориентации на Солнце;
сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА
на орбиту; неработоспособность в отсутствие освещения; относительно
большие площади облучаемых поверхностей. Для современных ФЭП характерны
удельная масса 20 - 60 кг/кВт (без учета механизмов разворота и автоматов
слежения) и удельная мощность КПД преобразования
солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен
В каскадных ФЭП с
прозрачными монокристаллами элементов
при двухслойном и
при трехслойном исполнении.
Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические
зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников
- арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать
Работа
ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках.
Внешние радиационные (световые, тепловые ) воздействия обуславливают
в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых
противоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Под
влиянием электростатического притяжения разноименные свободные
основные носители диффундируют через границу соприкосновения
областей и образуют вблизи нее р-п
гетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК, контактной
разностью потенциалов UK = SEK и потенциальным
энергетическим барьером WK=eUK для основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля EK препятствует их диффузии
за пределы пограничного слоя шириной S . Напряжение
|
зависит от температуры Т, концентраций дырок или электронов
в p- и n-областях заряда
электрона е и постоянной Больцмана
k. для неосновных носителей EK- движущее поле. Оно обусловливает перемещение
дрейфующих электронов из области р в
область п, а дырок - из области п в область р. Область п приобретает
отрицательный заряд, а область р-
положительный, что эквивалентно приложению кр-п
переходу внешнего электрического поля с напряженностью EВШ, встречного с EK. Поле с напряженностью EВШ - запирающее для неосновных и движущее для основных
носителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход переводит к установлению
на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 - ЭДС холостого хода ФЭ.
Эти явления могут происходить даже при отсутствии освещенияр-п
перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов),
которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла
с энергетическими уровнями W.
Если энергия фотона Wф=hv (v -частота волны света, h - постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и порождает
здесь дырку; р-п переход разделяет
пары электрон - дырка, и ЭДС U0увеличивается. Если подключить
сопротивление нагрузки RН, по цепи
пойдет ток I, направление которого
встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами
полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока
Ф, но не превосходит предельного
тока In ФЭ, который получается
при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший
рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0) напряженность
поля Евш =0,р-п переход ( напряженность поля ЕК)наиболее интенсивно
разделяет пары неосновных носителей и получается наибольшийток фотоэлемента IФ для заданного
Ф. Но в режиме К3, как и при холостом
ходе (I=0), полезная мощность P=UНI=0, а для 00.
|
Рис.2. Типовая внешняя характеристика кремний- германиевого фотоэлемента |
Типовая
внешняя характеристика кремниевого ФЭ для внутреннее
сопротивление, обусловленное материаломФЭ, электродами и контактами отводов;
q - площадь ФЭ) представлена на
рис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях
, а на уровне
Земли (моря) при расположении Солнца в зените и поглощении энергии
света водяными парами с относительной влажностью 50% либо при отклонении
от зенита на
в отсутствии паров
воды
ФЭП монтируются на панелях, конструкция которых содержит механизмы разворота и ориентации. Для повышения КПДпримерно до 0,3 применяются каскадные двух- и трехслойные исполнения ФЭП с прозрачными ФЭ верхних слоев. КПД ФЭП существенно зависит от оптических свойств материалов ФЭ и их терморегулирующих защитных покрытий. Коэффициенты отражения уменьшают технологическим способом просветления освещаемой поверхности (для рабочей части спектра). Обусловливающие заданной коэффициент поглощения покрытия способствует установлению необходимого теплового режима в соответствии с законом Стефана-Больцмана, что имеет важное значение: например, при увеличении Т от 300 до 380 К КПД ФЭП снижается на 1/3.