Учебное пособие 1224

дырок. Электрон, занимающий место дырки, делает это лишь однократно и затем фиксируется там, тогда как дырка перемещается непрерывно, занимая последовательно освобождаемые электронами места. По отношения к остальной части кристалла дырка соответствует недостающему в данном месте отрицательно заряженному электрону и ведет себя подобно носителю положительного заряда. То есть условно полупроводники n-типа (дырки) считаются носителями положительного заряда, а легированный таким образом материал – полупроводником p-типа (positive). Подобный кристалл остается электрически нейтральным, поскольку ядра примесных атомов, занявших положение основных атомов кристалла, несут меньший положительный заряд, дефицит которого восполняется свободными дырками. Носители заряда, обусловленные легирующими примесями, называются основными носителями (n-тип), а не основными носителями, появляющимися при воздействии радиации или повышении температуры являются носители p-типа.

Итак, легированные полупроводники n-типа имеют фиксированные положительные и свободные отрицательные заряды, а p-типа имеют фиксированные отрицательные и свободные положительные заряды. В то же время в полупроводниках обоих типов могут присутствовать не основные носители, возникшие в результате радиационного и теплового воздействия. До сих пор считается, что к категории носителей относятся только электроны. Если электрон получает энергию, достаточную, чтобы перескочить запрещенную зону и покинуть пределы атома, то в результате на его месте возникает дырка, то есть в этом случае электрон и дырка могут свободно перемещаться.

Если на границу между п- и p-полупроводниками падает свет, то в результате светового воздействия в обоих полупроводниках образуются пары «электрон – дырка». Под действием контактной разности потенциалов эти избыточные заряды смещаются: электроны в – n-полупроводник, дырки – в р-

19

полупроводник. Таким образом, образуется дополнительная разность потенциалов. Рассматриваемое устройство (ФЭП) действует до тех пор, пока нанего падает свет.

В настоящее время главными полупроводниковыми материалами для создания ФЭП являются кремний и германий. В чистом виде (без примесей) кремний и германий — диэлектрики. Но при добавке небольших количеств других веществихможно превратитьвполупроводники п-или р-вида.

Коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП — в пределах 0,1 – 0,18 (под КПД ФЭП понимается отношение вырабатываемой им электроэнергии к использованной для этого лучистой энергии). Но основной причиной пока еще малого применения ФЭП является его высокая стоимость за 1 кВт установленноймощности.

На рис. 1 представлены ФЭП - элементы солнечной батареи.

Рис. 1. Схема элемента солнечной батареи:

1- поверхностный слой – кремний с проводимостью n-типа; 2- монокристалический кремний с проводимостью p-типа; 3, 4- электроды

20

9.Определить расчетную и истинную мощность, выдаваемую солнечной батареей.

10.Построить график зависимости W′б = f(I).

U′, I′ – ток и напряжение подводимые к источнику света, U″, I″

–ток и напряжение на выходе из солнечной батареи.

4.ПОРЯДОК РАСЧЕТА ДЛЯ КАЖДОГО РЕЖИМА

РАБОТЫ

1. Определяем освещённость создаваемую лампой:

а) Фотоэлемент люксметра располагаем на столе непосредственно перед стеклом напротив лампы; б) Измеряем общее освещение в аудитории Е0 и комбинированное Екомб;

в) освещённость создаваемая лампой Ел определяется по формуле:

Ел = Екомб - Е0, люкс. 2. Определяем силу источника света

I= Ел к R2 , Кд., (Кандела), (cos )3

где - -угол между направлением светового потока и нормально к плоскости солнечной батареи 30 – 400, R-высота подвеса ламп0,4, кс - коэффициент ослабления стекла стенда, 1,3.

22

6. Определяем коэффициент усиления мощности за счет отражения света

kу W1 . W2

7. Определяем расчетную мощность солнечной батареи

Wб.

Wб=W2 л б ку кс ,

где коэффициент полезного действия лампы л = 0,7;

коэффициент полезного действия батареи б = 0,175;

Кб – коэффициент ослабления для стекла солнечной батареи

0,53.

8. Определяем истинную мощность батареи Wб'

Wб' I'' U'' , Вт.

9.Строим график зависимости W′б = f(I).

10.Анализируем полученные результаты и формулируем выводы.

Контрольные вопросы

1.Назовите варианты использования солнечной энергии и способы ее применения.

2.Что такое ФЭП? Сущность фотоэлектричества. Основные виды ФЭП.

3.Определение КПД ФЭП.

4.Полупроводники p- и n- типов. Определение, основные различия и способы взаимодействия. Что такое ковалентная связь?

5.Принципиальная схема элемента солнечной батареи.

6.Схема лабораторной установки и принципы ее действия.

7.Объясните зависимости, полученные в результате эксперимента.

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Исследование работы и методики расчета ветроэнергетической установки

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1.Изучить принцип работы и устройство ветроэнергетической установки (ВЭУ).

1.2.Исходя из полученных экспериментальных данных рассчитать основные характеристики (ВЭУ) и определить зависимости между ними.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Принцип работы ветроустановки заключается в преобразовании ветроколесом кинетической энергии ветра в энергию вращающегося вала, которая далее преобразуется генератором в электрическую энергию.

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Быстроходностью называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра:

Z L VR , w w

где L – длина лопасти ветроколеса, ω – угловая скорость вращения ветроколеса, VR – окружная скорость конца лопастей, w – скорость ветра.

25

Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы (рис. 1).

–ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn≤2.

–ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn>2.

–ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn≥3. Ко второму классу относятся системы ветродвигателей

свертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

–карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;

–роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

К выбору места расположения ветроустановки необходимо подходить с особым вниманием. Условия, желательные для места установки ВЭУ, следующие: большая среднегодовая скорость ветра; отсутствиевысокихпрепятствий сподветренной стороны на расстоянии, которое определяется высотой препятствия; плоская вершина выравнивающая возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнинеилиостровахозерилиморей;открытыеравниныилипобережье; горноеущелье,образующеетуннель.

Крыльчатаяветроустановкасостоитизследующихосновныхчастей: ветроколеса (ротора), поворотной платформы, хвоста и башни. Ветроколесо преобразует энергию ветра в механическую работу; оно можетиметьоднуили много лопастей, устанавливаемыхподнекоторым углом к плоскости вращения ветроколеса. Поворотная платформа представляетсобойопору,накотороймонтируютвалветроколесаиверхний передаточный механизм. Поворотная платформа может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси в опорах башни. Хвост,

26

закрепляемый позади поворотной платформы, предназначен для установки ветроколеса на ветер; он работает подобно флюгеру: набегающий поток воздуха воздействует на стабилизатор и ориентирует поворотную платформу с установленным на ней генератором так, что плоскость вращения ветроколеса, закреплённого на валу генератора, устанавливается перпендикулярно направлению ветра.

Рис. 1. Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей: 1 - многолопастных; 2-4 - малолопастных

Башня служит для поднятия ветроколеса на высоту, на которой мало сказывается влияние препятствий, нарушающих прямолинейное течение воздуха. Редуктор монтируют у основания башни; он предназначен для передачи крутящего момента рабочим машинам. Механизм регулирования служит для ограничения числа оборотов и крутящего момента ветроколеса, а также для предотвращения поломокветродвигателяприбуревыхветрах.

Данная установка может использоваться в качестве автономного источника электроэнергии постоянного тока и переменного тока частотой (50 Гц) для питания различных

27