RU221884U1 - Двухкамерная фотоэлектрическая газовая ячейка - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области непосредственного преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию и может найти применение при создании альтернативных источников электрической энергии в виде солнечных батарей. Полезная модель предназначена для использования при высоких значениях рабочей температуры как в земных, так и в космических условиях. Экологическая безопасность фотоэлектрической газовой ячейки обеспечивается использованием экологически безопасных веществ как в качестве компонент газовой смеси, так и материала корпуса и электродов. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для непосредственного преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию с помощью фотоэлектрической газовой ячейки и может найти применение при создании альтернативных источников электрической энергии в виде солнечных батарей.

Известно, что фотоэлектрические преобразователи позволяют непосредственно преобразовывать энергию оптического излучения в электрическую энергию в полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения за счет использования внутреннего фотоэффекта и разделения зарядов в неоднородной кристаллической среде [1-3]. Однако ячейки таких полупроводниковых преобразователей имеют небольшие значения ЭДС (десятые доли вольта), сильную чувствительность от температуры и сравнительно невысокие предельные рабочие значения температуры [4]. Это не позволяет увеличить значения выходной мощности путем использования сильно сфокусированных энергетически мощных потоков солнечной радиации, что, в свою очередь, ограничивает предельные значения выходной мощности таких батарей на единицу их площади и требует использования больших площадей. Кроме того, это требует создание пассивных или активных систем охлаждения [4]. Важно отметить, что в таких преобразователях используются опасные с точки зрения экологии материалы (Ga, As, In, Cd, Pb и др.) [1,2].

Известны полупроводниковые фотоэлектрические батареи, выполненные в виде модулей, включающих оптическую линзу, фотоэлектрический преобразователь и корпус [5].

Наиболее близким, принятым за прототип, является солнечная фотоэлектрическая батарея [5], выполненная в виде набора модулей, каждый из которых включает оптическую линзу, фотоэлектрический преобразователь и трубчатый корпус. В верхней части этой батареи установлена оправка для крепления оптической линзы, а в нижней - фланец для установки фотоэлектрического преобразователя и крепления модуля в гнездах несущей платы, на одной стороне которой параллельными рядами размещены шины для коммутации токовых выводов фотоэлектрических преобразователей.

Недостатком данного прототипа является небольшое предельное значение рабочей температуры, ограниченное физико-техническими параметрами используемого полупроводникового фотоэлектрического преобразователя [4]. Кроме того, в изготовлении фотоэлектрического преобразователя этой батареи используются опасные с точки зрения экологии материалы, такие как Ga, As, In, Pb и др. [1, 2].

Технической задачей и целью заявляемой полезной модели является повышение предельного значения рабочей температуры фотоэлектрического преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного устройства одного с заявляемой полезной моделью технического назначения для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, принятого в качестве прототипа, которое выполнено в виде трубчатого корпуса, в котором расположены оптическое окно и фотоэлектрический преобразователь, заявленная фотоэлектрическая ячейка имеет форму коаксиального стеклянного баллона, выполненного из двух цилиндрических камер, расположенных последовательно друг за другом и имеющих общую открытую торцевую границу, внутри которых расположены электроды для снятия фото-ЭДС, при этом первая камера содержит на своем входном торце оптическое окно, и дополнительно вокруг первой камеры коаксиально расположен нагреватель.

Задача преобразования световой энергии в электрическую энергию решается за счет того, что используется баллон с газовой смесью паров Na и Ar. функциональное назначение которой состоит в том, чтобы осуществлять это преобразование энергии, которое в прототипе осуществляется твердотельными полупроводниковыми элементами. При этом используется не внутренний фотоэффект, как в полупроводниковых батареях, а внешний эффект -фотоионизация атомов Na в газовой смеси Na и Ar в результате последовательных процессов поглощения резонансного излучения и плазмохимических реакций. С одной стороны, это позволяет получать сравнительно большие величины ЭДС, чем в полупроводниковых солнечных батареях. С другой стороны, это дает возможность использовать фотоэлектрическую газовую ячейку при существенно более высоких значениях рабочей температуры ячейки (до 500°С и выше), чем предельное максимальное значение рабочей температуры прототипа, которое не превышает 80°С для широко используемых твердотельных кремниевых батарей.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом фотоэлектрическом преобразователе используются две пространственно связанные между собой камеры, в отличие от указанного прототипа. Это позволяет для создания ЭДС использовать принцип амбиполярной диффузии пространственного разделения потоков электронов и ионов в газоплазменной смеси на электроды разных камер двухкамерной газовой ячейки. Результатом использования двух камер в казовой ячейке является то, что величины ЭДС двухкамерной фотоэлектрической газовой ячейки достигают 2÷3 В, согласно проведенным нами численным симуляциям, что существенно (до порядка величины) больше, чем ЭДС полупроводниковых солнечных батарей.

Также технический результат достигается за счет того, что размеры двух камер существенно отличаются для того, что достичь эффективной амбиполярной диффузии зарядов в газовой ячейке.

Также технический результат достигается за счет того, что используется нагреватель для создания паров щелочного металла в одной из камер фотоэлектрического преобразователя.

Сущность заявленной полезной модели поясняется на Фиг. На Фиг. представлена структурная схема двухкамерной фотоэлектрической газовой ячейки.

Двухкамерная фотоэлектрическая газовая ячейка выполнена в виде герметичной цилиндрической трубки, содержащей две камеры: первую (3) и вторую (5). Первая камера (3) содержит торцевое оптическое окно (2), и вокруг этой камеры расположен нагреватель (4) для создания паров щелочного металла. Внутри первой (3) и второй (5) камер расположены цилиндрически электроды (6) и (7), соответственно, с которых снимается фото-ЭДС U (разность потенциалов электродов первой и второй камер) (см. Фиг. ).

Двухкамерная фотоэлектрическая ячейка может быть реализована за счет использования газовой смеси паров щелочного металла и инертного газа. Трубчатый корпус ячейки, также как и оптическое окно, могут быть стеклянными, а электроды могут быть изготовлены из стали.

Завяленное в качестве полезной модели устройство работает следующим образом. Оптическое излучение фокусируется с помощью линзы 1 и направляется через оптическое окно 2 в первую камеру 3 газовой ячейки. В первой камере происходит поглощение оптического излучения атомами Na и возбуждение резонансных оптических уровней этих атомов. Пары Na в газовой ячейке создаются с помощью нагревателя 4, расположенной вокруг первой камеры. Плазменная среда в газовой ячейке образуется за счет поглощения атомами Na в первой камере газовой ячейке светового излучения на длине волны резонансного оптического перехода атома Na (589 нм). Далее, в результате межатомных столкновений (пеннинговская ионизация, ассоциативная ионизация, процессы передачи возбуждения) таким образом возбужденных атомов происходят переходы на высоко возбужденные электронных уровни атомов щелочных металлов, ионизация этих атомов и образование свободных электронов [6]. Вторая (балластная) камера 5 используется для диффузии плазмы, образовавшейся в первой камере 3, и разделения зарядов за счет процесса амбиполярной диффузии.

Инертный газ (Ar) добавляется в газовую ячейку в качестве буфферного газа для обеспечения необходимых значений времени амбиполярной диффузии ионов щелочных металлов в газовой смеси, а также защиты внутренней поверхности газовой ячейки от воздействия химически активных атомов щелочных металлов. Характерное отношение парциальных давлений паров Na и Ar составляет 0.01÷0.1 раза.

Фото-ЭДС U, получаемое в результате фотоэлектрического преобразования, снимается с электродов 6 и 7.

Эффективность предлагаемой полезной модели и получение оптимальных значений ЭДС полезной модели (разность потенциалов первой и второй камер) обеспечивается:

1) выбором давления паров Na и соответственно температуры газовой смеси [7];

2) выбором давления Аг, которое регулирует коэффициент диффузии атомарных и молекулярных ионов Na и, соответственно, время амбиполярной диффузии [8];

3) выбором диаметра и длины первой и второй камер двухкамерной газовой ячейки, которые задают значения диффузионной длины для этих камер, влияющей на время диффузии зарядов и процессы их энергетической релаксации [8];

4) плотностью потока энергии резонансного излучения, направленного на окно первой камеры и поглощаемого в этой камере который определяет скорость возбуждения резонансных уровней атомов щелочного металла [6].

Пример реализации двухкамерной фотоэлектрической газовой ячейки.

Были проведены модельные расчеты и численная симуляция двухкамерной фотоэлектрической газовой ячейки [9, 10]. Простая оценка абсолютного значения фото-ЭДС двухкамерной газовой ячейки может быть описана формулой: где Т_е - эффективная температура электронов (в электронвольтах) в первой камере газовой камеры; - длины диффузии электронов в первой и второй камерах; - заряд электрона; - множитель, который зависит от параметров теоретической модели. Отношение длин диффузии электронов в первой и второй камерах можно приблизительно оценить через значения радиусов этих камер: . Поэтому для получения относительно больших значений фото-ЭДС требуется, чтобы характерный размер второй камеры был существенно больше характерного размера первой камеры.

Согласно проведенным модельным расчетам и двумерным симуляциям, фото-ЭДС возникает при давлениях паров Na 0.02 торр и давлении буферного газа 0.1÷100 торр. Оптимальными давлениями буферного газа являются 0.3÷ торр. При этом наибольшие значения ЭДС получены для Ar в качестве буферного газа. В этих расчетах первая (активная) цилиндрическая камера имела радиус R₁=0.5 см и длину L₁=1 см, а характерный размер второй (балластной) камеры составлял 1÷5 см. Геометрические размеры газовой камеры и давление буферного газа связаны законами подобия: для получения близких значений ЭДС давление буферного газа обратно пропорционально характерному геометрическому размеру первой (активной) камеры газовой ячейки.

Результаты симуляции для бинарной смеси паров Na и различных инертных газов показали, что значения составляют 0.1÷0.4 эВ, а значение параметра а достигает 5 раз для R₁=0.5 см и R₂=1÷2 см. Таким образом, простая оценка значения фото-ЭДС для двухкамерной ячейки, содержащей бинарную смесь паров Na и инертного газа, может достигать 2 В. Результаты двумерной симуляции показали, что значение фото-ЭДС предлагаемой двухкамерной газовой ячейки достигает 2÷3 В.

Результаты проведенного моделирования показали эффективность полезной модели. Технико-экономическая эффективность полезной модели состоит в ее простоте, технологичности, относительной дешевизне и экологической безопасности ее компонент.Заявленная полезная модель позволяет решать задачи, связанные с использованием солнечных батарей при высоких значениях рабочей температуры и сравнительно больших значений ЭДС.

Используемые источники информации

1. В.А. Миличко, А.С. Шалин, И.С. Мухин и др. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития. Успехи физических наук, 2016, т.186, с. 801-852.

2. L. Hernandez-Callejo, S. Gallardo-Saavedra, V. Alonso-Gomez. A review of photovoltaic systems: Design, operation and maintenance. Solar Energy, 2019, vol. 188, p.426-440.

3. В.Ф. Гременок, M.С. Тиванов, В.Б. Залесский. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов. Минск: БГУ, 2007, - 222 с.

4. J. Siecker, К. Kusakana, В. P. Numbi. A review of solar photovoltaic systems cooling technologies. Renew. Sustainable Energy Rev, 2017, vol. 79, p.192-203.

5. Патент RU 71185. 2007. Солнечная фотоэлектрическая батарея (прототип).

6. А. Н. Ключарев, Н. Н. Безуглов. Процессы возбуждения и ионизации при поглощении света. Л.: Изд-во. ЛГУ, 1983, - 272 с.

7. Ан. Н. Несмеянов. М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1961, - 396 с.

8. Ю. П. Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992, - 536 с.

9. М. М. Mandour, S. A. Astashkevich, A. A. Kudryavtsev. 2D simulation of solar/lamp two-chamber photoelectric converter with different sodium-noble gas mixtures. Plasma Sources Sci. Technol., 2020, vol. 29, p.115005.

10. S. A. Astashkevich, M. M. Mandour, A. A. Kudryavtsev. Influence of collisional broadening on resonance photoplasma parameters in a sodium-argon mixture. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 2022, vol. 288, p.108256.

Claims (1)

1. Фотоэлектрическая ячейка для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, выполненная в виде трубчатого корпуса, в котором расположены оптическое окно и фотоэлектрический преобразователь, отличающаяся тем, что ячейка имеет форму коаксиального стеклянного баллона, выполненного из двух цилиндрических камер, расположенных последовательно друг за другом и имеющих общую открытую торцевую границу, внутри которых расположены электроды для снятия фото-ЭДС, при этом первая камера содержит на своем входном торце оптическое окно, и дополнительно вокруг первой камеры коаксиально расположен нагреватель.

Images