Расчет КПД передачи излучения СВЧ с солнечной космической электростанции на Землю
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
?ных и научных изданий.
Рисунок 1.1 - Общая схема СКЭС
Целесообразность создания СКЭС диктуется неисчерпаемостью солнечной энергии, экологическими соображениями и необходимостью сохранять ныне широко применяемые природные энергоносители (нефть, газ, уголь).
2. Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения (ФЭП)
Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А.Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 42,8%.
Рисунок 1.2 - Солнечные батареи
Механизм преобразования солнечного света в электричество отличается от других способов получения электричества. Особенности этого метода определяют возможности и перспективы его использования в широких масштабах (рисунок 1.2).
В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника со светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. До недавнего времени практически все фотоэлементы изготавливались из кристаллического кремния, однако сейчас все более широкое применение находят и другие материалы.
Явление фотоэффекта основано на преобразовании световой энергии (энергии электромагнитного излучения) в электрическую. Различают три вида фотоэффекта:
.внешний - вырывание электронов из поверхности тел под действием света;
.внутренний - изменение электропроводимости полупроводников и диэлектриков под действием света;
.запирающегося слоя - возбуждение электродвижущей силы на границе между проводником и светочувствительным полупроводником.
Для целей преобразования энергии электромагнитного излучения практически может быть применен только фотоэффект запирающегося слоя (фотоэффект на р-n переходе).
Элекронно-дырочный переход или р-n переход представляет собой некоторую область между двумя частями вещества с разным типом проводимости (рисунок 1.3). В изолированном от внешних воздействий (света и теплоты) образце в этой переходной зоне возникает взаимная диффузия избыточных носителей тока, приводящая к образованию двойного электрического слоя объемных зарядов - контактного электрического поля, напряженность которого направлена от области n-типа к области р-типа. [3]
Оптимальным материалом для солнечных ФЭП является в первую очередь арсенид галлия (GaAS). Разработка высокоэффективных ФЭП на основе материалов с широким диапазоном изменения позволит на практике перейти к использованию сочетаний различных типов ФЭП и реализации идей сложных, например гетерогенных и каскадных, фотоэлектрических устройств, позволяющих использовать весь спектр солнечного излучения.
В последнее время для изготовления фотоэлементов стало возможным использование ряда новых материалов. Один из наиболее перспективных - аморфный кремний, который в отличие от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Таким образом, по поглощательной способности этот материал значительно превосходит кристаллический кремний. Для нужд полупроводниковой энергетики его можно использовать в виде тонких, толщиной около 0,5 мкм, пленок.
Рисунок 1.3 - Принцип работы солнечных батарей
Поскольку на элементы из аморфного кремния расходуется меньше материала и технология их изготовления проще, они дешевле. Стоимость электричества, получаемого от фотоэлектрических систем электроснабжения, проявляет четкие тенденции к снижению. Так если в конце 80-х годов прошлого века, на заре развития отрасли, солнечные батареи промышленного образца генерировали электричество стоимостью $2 за кВт*ч, то на сегодняшний день этот показатель снизился до отметки в $0,3, а к 2020 году можно рассчитывать на трехкратное снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии - для крупных фотоэлектрических энергосистем промышленного назначения, и на двукратное снижение - для бытовых солнечных установок. [4]
Способность луча солнечной энергии проникать из космоса на Землю в виде СВЧ энергии составляет интересную проблему для многих дисциплин техники и физики. С точки зрения электромагнитизма, эта задача вызывает много споров, которые необходимо разрешать, не ограничиваясь атмосферными потерями, размерами антенн (как в космосе, так и на земле), шириной, точностью и плотностью мощности прошедшего пучка на поверхности Земли. Ссылочный бюджет для беспроводной передачи энергии с геостационарной орбиты (ГО) до ректенны, расположенной на Земле может быть рассчитан с использованием уравнений передачи Фриис в случае больших расстояний. Однако если угловая апертура и форма пучка выбраны так, что передающая и приемная апертуры удовлетворяют условию Френеля, может быть получена высокая эффективность передачи. [5]
3. Беспрово