Пристрій для підвищення ккд напівпровідникових перетворювачів сонячної енергії в електричну

Реферат: Пристрій для підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну виконаний із двох плоских напівпровідникових пластин Ρ і Ν, між якими при їх з'єднанні утворюється тонкий прошарок, здатний до фотоефекту, та додатково містить напівпровідникову пластину з власною провідністю І. При цьому або один незатемнений торець пластини І розташовують перпендикулярно світовому потоку, або пластини Ρ і N розташовують на відстані одна від одної на одній стороні пластини І, а другу, незатемнену сторону, використовують як робочу поверхню, підставляючи її сонячним промінням. UA 83598 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ККД НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИЧНУ UA 83598 U UA 83598 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до безмембранних паливних елементів, що використовуються в енергоустановках різного призначення для прямого перетворення світлової енергії в електричну для народного господарства, авіації, морського флоту, сільського господарства, промисловості, армії і космонавтики. Корисна модель належить також до області фізики, процесів перетворення енергії, а саме до пристроїв перетворення сонячної енергії в електричну на основі фотоефекту. Відомий пристрій (найближчий аналог) прямого отримання електричної енергії з енергії сонця за допомогою широко поширених кремнієвих сонячних елементів (сонячних батарей плоскої конструкції). Кожний елемент такої батареї є площинним напівпровідниковим діодом (тобто має Ρ-N структуру). При цьому Ρ і N елементи забезпечені струмознімачем, а між напівпровідниковими пластинами, при їх з'єднанні, утворюється тонкий прошарок напівпровідника провідністю І, здатний до фотоефекту, через взаємне проникнення зарядів і їх взаємодію (рекомбінацію). Коротко, принцип роботи пристрою полягає в наступному. Світловий потік падає на напівпровідникову пластину провідності Ν, проходить через неї і досягає області з'єднання двох напівпровідників, яка є тонким прошарком товщиною з власною провідністю, наприклад, кремнію (І). Потрапляючи в цей тонкий шар, кванти світла вибивають з нього вільні заряди, які проходять через N і Ρ області, створюючи в зовнішньому ланцюзі електричний струм. Якщо розглядати фотоперетворювач з позицій конструкції сучасних безмембранних паливних комірок, то, як було показано у відомому способі [патент України 98283 "Спосіб прямого отримання електричної енергії з будь-якого електроліту і пристрій для його реалізації" UA. (51) МПК (2012) Н01М 8/00, Н01М 8/06, Н01М 8/08], перетворювач нескладно представити паливною коміркою напівпровідникового типу. В ній пластини N і Ρ є електродами комірки, а простір між ними - об'ємом, який можна заповнити електролітом, що містить вільні заряди. Це і відбувається, коли ми впускаємо в цей простір світловий потік. При цьому розуміємо, що простір вузький, і потік доводиться пропускати з великими втратами і високий ККД отримати складно. Через те ефективність використання сонячної енергії фотоперетворювачів, що досі існують, не перевищує 10-20 %. Недоліком пристрою отримання електричної енергії за допомогою фотоперетворення сонячної енергії в електричну, вибраного за найближчий аналог (прототип), є низька ефективність використання сонячної енергії, тобто ми використовуємо малу частину сонячної енергії, втрачаючи основну її частину на шляху до власне перетворювача - тонкого простору між двома N і Ρ напівпровідниками. Іншими словами, робочий елемент, область І, як би екранована двома пластинами напівпровідника. Другим недоліком пристрою є невдала конфігурація сучасних сонячних перетворювачів. Прийнята у всьому світі плоска конструкція принципово не може ефективно використовувати світловий потік, поки не буде мати прямого доступу до робочої області І. А це можливо тільки шляхом зміни конфігурації розташування елементів перетворювача відносно напрямку сонячного випромінювання. В основу корисної моделі поставлена задача розробити пристрій для підвищення ККД напівпровідникових перетворювачів сонячної енергії в електричну. Поставлена задача розв'язується шляхом збільшення області з провідністю І між напівпровідниками N і Р, куди, власне, повинен потрапляти світловий потік, де він проводитиме роботу - вибиваючи вільні заряди та зміною конфігурації елементів N, І і Ρ відносно щодо один одного та сонячного проміння (фіг. 1). Цьому ні що не заважає, оскільки область І може додаватися окремою пластиною між пластинами N і Ρ як, наприклад, зроблено у світло- та параметричних діодах, і мати різні форми. Властивості NIP структур добре відомі в теорії напівпровідникових діодів. Зокрема, товщина пластини І може бути значно більшою, ніж товщина пластин N і Р. Це дозволяє більш раціонально скласти три пластини разом, а світловий потік спрямувати всередину між ними (в торець пластини І). Торець пластини І може виступати за межі пластин N і Р, а також виконуватися будь-якої форми для формування діаграмами направленості перетворювача. Головне, щоб проміння світла безпосередньо потрапляло на поверхню чи в торець робочого шару І перетворювача (фіг. 2а). Послідовне з'єднання таких елементів наведено на фіг. 2б. Таке конструктивне виконання дозволить так повернути робочу поверхню торця по відношенню до джерела світла, що проміння виявиться під кутом Брюстера до поверхні напівпровідника з провідністю І, а отже зможе увійти до нього без втрат. При цьому світловий потік, що увійшов вільно до шару І, може рухатися по ньому, як по хвилеводу, віддаючи при цьому всю свою енергію, а енергію, що залишилася, випустити з протилежного кінця пластини, з'єднавши відповідним чином декілька ідентичних конструкцій, можна отримати батарею 1 UA 83598 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 комірок. Таку батарею можна робити на основі пластини напівпровідника типу І, іммобілізованого з двох сторін акцепторною і донорною домішками, відповідно. Інший варіант безпосередньої подачі світлового потоку в шар І P I N структури приведений на фіг. 3. В цьому варіанті передбачається можливість максимально використовувати всю робочу поверхню пластини І. При цьому поверхня пластини І відкрита для світлового потоку з зовнішньої сторони, а знімання електроенергії здійснюється з другої (тіньової) сторони розташованими попарно ламелями напівпровідників N і Ρ типів. Перший варіант доцільно використовувати там, де інтенсивність сонячного випромінювання максимальна (космос, екватор), другий - в північних районах. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою перетворювача. При цьому сенс значення удосконалення зводиться до того, щоб робоча область (шар напівпровідника з власною провідністю І) стала максимально доступною для сонячного проміння. Це можливо шляхом просторової інверсії елементів Р, І і N. Іншими словами, шар І повинен розташовуватися на поверхні елемента, а шари Ρ і N можна розташовувати по краях шару І або з тильної (зовнішньої) сторони напівпровідника з провідністю І. Корисна модель проілюстровано на фіг. 1-4. На фіг. 1 представлений елемент запропонованого перетворювача в ізометрії і планіметрії, що показує основну відмінність запропонованого пристрою, яка полягає в розширенні області, в якій відбувається перетворення сонячної енергії в електричну. На фіг. 2 представлено послідовне з'єднання запропонованих елементів. При цьому, якщо ширина шару І буде на порядок більше, ніж шарів Ρ і Ν, загальна площа поверхні практично не зросте, а ефективність істотно збільшиться. На фіг. 3 представлена конфігурація розміщення елементів Р, І і N структури. Така конфігурація дозволяє найбільш ефективно використовувати весь потік сонячного випромінювання, що падає на перетворювач. На фіг. 1-3 позначено: 1 - світловий потік сонячного випромінювання; 2 - робоча поверхня перетворювача сонячної енергії в електричну; 3 - пластина напівпровідника типу Ν; 4 - пластина напівпровідника типу І; 5 - пластина напівпровідника типу Р; 6 - струмознімач. Принцип роботи пристрою полягає в наступному. Світловий потік 1 падає на робочу поверхню 2 і проникає в шар І перетворювача. Тут кванти світла вибивають вільні заряди, які проходять через N і Ρ пластини, створюючи в зовнішньому ланцюзі електричний струм, що фіксується вольтметром. На фіг. 4 (фото) приведено приклад перетворення світлової енергії в електричну за допомогою світлодіода. Для експерименту використано: 7 - батарея живлення U = 3ν; 8 - джерело світла - світлодіод червоного кольору відкритого типу; 9 - перетворювач світлової енергії - світлодіод червоного кольору відкритого типу; 10 - вольтметр (0 - 3 ν). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) напівпровідникового перетворювача сонячної енергії в електричну, що виконаний із двох плоских напівпровідникових пластин Ρ і Ν, між якими при їх з'єднанні утворюється тонкий прошарок, здатний до фотоефекту, який відрізняється тим, що додатково містить напівпровідникову пластину з власною провідністю І, при цьому або один незатемнений торець пластини І розташовують перпендикулярно світовому потоку, або пластини Ρ і N розташовують на відстані одна від одної на одній стороні пластини І, а другу, незатемнену сторону, використовують як робочу поверхню, підставляючи її сонячним промінням. 2 UA 83598 U 3 UA 83598 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4