Дипломаная работа по мехатронике и мобильной роботехнике. Цель разработать мехатронный фотоэлектрический преобразователь. Задачи
 Скачать 0.85 Mb.
|
6000 К их предельный теоретический КПД >90%. Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более (в лабораториях уже достигнут КПД 40%). Изучить техническую литературу и статьи по теме; Выполнить практическую реализацию с выбором элементов и их параметрами; Провести анализ аналогов ФЭП на производстве; Выполнить экономические расчёты; Рассмотреть безопасность труда и экологическую безопасность труда; Теоретические исследования и практические разработки, в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации столь высоких значений КПД с ФЭП и определили основные пути достижения этой цели. 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. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание вариативных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n- переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е. электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными. 1.2 Типы, характеристики и классификации фотоэлектрических элементов. Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д. Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи. На основе данной информации можно составить типы фотоэлектрических элементов. Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Активными материалами данных АБ служат оксид серебра на положительном, и цинк или кадмий – на отрицательном электродах соответственно, электролитом является раствор щелочи. Характеризуются высокой удельной энергией, низким саморазрядом, но весьма дороги, а также имеют низкий ресурс. У энергоемких аккумуляторных батарей серебряноцинковой электрохимической системы (90-120 Вт·ч/кг) при увеличении числа циклов заряда - разряда емкость существенно падает, и при 103-104 циклах составляет не более 30 % от начальной. Применяются в основном для питания портативных приборов и аппаратов в военной технике. Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы: Реагентами в никель-кадмиевых аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор гидроксида калия, поэтому они относятся к щелочным аккумуляторам. Существуют три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. Наиболее дешевые ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но низкой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда Ni-Cd аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к тепловому разгону. Герметичные Ni-Cd аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой и способностью функционировать при низких температурах. Недостатком данного типа аккумуляторов является применение токсичного кадмия. Для Ni-Cd аккумуляторов предпочтителен быстрый заряд и медленный разряд до состояния полного разряда. Также необходим полный периодический разряд: иначе на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, значительно снижающие их емкость (так называемый "эффект памяти"). Применяются для питания стационарного оборудования, средств связи, запуска дизелей и авиационных двигателей и т.п. Никель-железные аккумуляторы: В этих аккумуляторах используется железо. Из-за выделения водорода с самого начала заряда эти аккумуляторные батареи производят только в негерметичном варианте. Они дешевле никель-кадмиевых, имеют длинный срок службы и высокую механическую прочность. Но характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при температуре ниже -10 °С. Используются в основном как тяговые источники тока в шахтных электровозах, электрокарах и промышленных подъемниках. Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH) Активным материалом отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий водород, т.е., фактически, отрицательный электрод является водородным электродом, у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном состоянии. Разрядная кривая Ni-MH аккумулятора аналогична кривой Ni-Cd аккумулятора. Удельная емкость и энергия никельметаллогидридных аккумуляторов в 1,5-2 раза выше удельной энергии никелькадмиевых аккумуляторов, кроме того, они не содержат токсичный кадмий. Применяются для питания портативных приборов и аппаратуры. Свинцово-кислотные аккумуляторы: Свинцовые АБ являются наиболее распространенными среди всех, существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительно низкой ценой, обусловленной сравнительной не дефицитностью исходных материалов, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей. На электрических и эксплуатационных характеристиках, герметизированных свинцовых аккумуляторных батарей большой емкости значительно сказываются различия в конструкции электродов (поверхностного типа, панцирные или 24 стержневые), а также различия в сплавах, используемых для изготовления токоведущих основ. Герметизированные свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны в интервале температур от -30 до +50 °С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже - 15 °С. При более низких температурах возможности разряда мешает замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть обеспечена увеличением концентрации электролита, как это и делается в специальных аккумуляторах. Саморазряд в данном типе аккумуляторов составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается (при 40 °С батареи лишаются 40 % емкости за 4-5 месяцев). Самое большое влияние на срок службы герметизированного свинцовокислотного аккумулятора оказывают: рабочая температура, глубина разряда и величина перезаряда. Переразряд также вреден для свинцово-кислотных батарей, как и перезаряд. При многократных переразрядах уменьшается разрядная емкость и понижается срок службы аккумулятора. Такие же изменения могут происходить и при продолжительном хранении батарей в разряженном состоянии. Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками (до 40 Вт·ч/кг и 100 Вт·ч/л). Они работоспособны в буферном режиме при нормальной температуре в течение продолжительного периода (более 10 лет), а при циклировании обеспечивают несколько сотен циклов при потере до 20 % емкости. Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы: Большинство Li-ion аккумуляторов изготавливают в призматических вариантах, поскольку основное их назначение - обеспечение работы сотовых телефонов и ноутбуков. Конструкция отличается абсолютной герметичностью, это требование определяется как недопустимостью вытекания жидкого электролита (отрицательно действующего на аппаратуру), так и недопустимостью попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды 25 реагируют с материалами электродов и электролита и полностью выводят аккумулятор из строя. Технологические операции производства электродов и других деталей, а также сборку аккумуляторов проводят в особых сухих комнатах или в герметичных боксах в атмосфере чистого аргона. При сборке аккумуляторов применяют сложные современные технологии сварки, конструкции гермовыводов и т.д. С ростом тока разряда емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение. Такой же эффект появляется в разряде при температуре ниже 10 °С. Кроме этого, при низких температурах имеет место начальная просадка напряжения. При циклировании Li-ion аккумуляторов среди возможных механизмов снижения емкости наиболее часто рассматриваются следующие: - разрушение кристаллической структуры катодного материала; - расслоение графита; - осаждение металлического лития; - механические изменения структуры электрода в результате объемных колебаний активного материала при циклировании. Обычно ресурс коммерческих Li-ion аккумуляторов до понижения разрядной емкости на 20% составляет 500-1000 циклов. С уменьшением глубины циклирования ресурс повышается. Наблюдаемое повышение срока службы связывают с уменьшением механических напряжений, вызываемых, изменениями объема электродов внедрения, которые зависят от степени их заряженности. Преимуществами Li-ion аккумуляторов являются: малый вес; высокая емкость; большие отдаваемые токи; незначительный «эффект памяти»; низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц; возможность быстрого заряда. Недостатки: узкий температурный рабочий диапазон, при котором емкость и отдаваемый ток остается на приемлемом уровне (требуют аккуратной и бережной эксплуатации); ограниченный срок службы. Литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы: В основе идеи литий-полимерного аккумулятора лежит открытое явление перехода некоторых полимеров в полупроводниковое состояние в результате внедрения в них ионов электролита. Проводимость полимеров при этом увеличивается более чем на порядок. Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов. Благодаря отсутствию жидкого электролита, они более безопасны в использовании, чем перезаряжаемые литиевые источники тока. Li-pol аккумуляторы компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. Рабочие плотности тока незначительны, и электрические характеристики Lipol аккумуляторов заметно ухудшаются при понижении температуры из-за кристаллизации полимера. Для снижения внутреннего сопротивления Li-pol батарей используют добавку гелевого электролита. Большинство применяемых литий-полимерных батарей, на самом деле являются гибридными, представляющими собой нечто среднее между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, в которых используется гелевый электролит. Процесс заряда подобен заряду литий-ионных. Гелевые: Гелевый аккумулятор - это вариант необслуживаемого свинцово-кислотного аккумулятора. Он снабжен клапаном, который открывается для выброса излишне накопленного газа, в основном водорода. Это герметизированный аккумулятор (не герметичный - небольшое выделение газов при открытии клапана все-таки происходит), полностью необслуживаемый, с гелеобразным кислотным электролитом. Электролит, загущенный с помощью силикагеля, во время эксплуатации АБ постепенно твердеет. Пары водорода и кислорода задерживаются внутри вещества и, реагируя между собой, превращаются в воду, которая стекает по стенкам аккумулятора, увлажняя гель. Таким образом, почти все испарения возвращаются обратно в аккумулятор. Но часть испарений рекомбинировать не удается, и при 27 избыточном давлении газ сбрасывается через предохранительные клапаны. В процессе эксплуатации гелевых аккумуляторов, из-за неизбежных потерь воды при открывании клапана, происходит осушение геля и увеличение внутреннего сопротивления источников тока. Преимуществами герметизированных гелевых аккумуляторов являются: низкий саморазряд; возможность эксплуатации практически в любом положении; при разрушении корпуса электролит не вытекает; можно использовать непосредственно в производственных и жилых помещениях с естественной вентиляцией. Сейчас гелевые батареи широко используются в альтернативной энергетике, в домашних мощных АФЭУ, а также электротранспорте. Из анализа технических характеристик, преимуществ и недостатков рассмотренных аккумуляторных батарей следует, что наиболее оптимальными для использования в автономных фотоэлектрических энергетических установках небольшой мощности являются никель-кадмиевые аккумуляторы (возможность возможности быстрого заряда). А в системах большой мощности – гелевые, из-за высокой емкости и меньшей стоимости. Литий ионные и литий полимерные аккумуляторы не могут быть использованы в автономных фотоэлектрических энергетических установках из-за высокой стоимости и малой распространенности в автономных системах электроснабжения. |