Показатели и характеристики различных источников электроэнергии

Показатели и характеристики различных источников электроэнергии

Для сравнительной оценки существующих и разрабатываемых источников используют ряд показателей: КПД, удельная мощность, удельная энергия, срок службы (ресурс), надежность. Некоторые характеристики, такие как надежность и срок службы, применимы к различным устройствам. Другие характеристики и показатели учитывают специфику изделий.

КПД – это отношение количества энергии, отдаваемой потребителю в течение цикла или определенного отрезка времени, к количеству энергии, получаемой от первичного источника энергии в течение того же цикла или того же отрезка времени. КПД измеряется в относительных единицах или в процентах и характеризует степень совершенства устройства (преобразователя энергии, средств передачи и накопления энергии, потребителя энергии).

Удельная энергия имеет несколько разновидностей: теоретическая и реализуемая, массовая и объемная. Теоретическая удельная энергия – это максимальное количество энергии, запасенной в активных компонентах источника тока (накопителя энергии), отнесенное к массе или объему активных компонентов. В системе СИ единицы измерения удельной энергии – Дж/кг или Дж/м³. Чаще употребляют Вт∙ч/кг или Вт∙ч/ м³.

Реализуемая удельная энергия – это отношение энергии, отдаваемой источником тока (накопителем) потребителю (за цикл), к полной массе или объему источника (накопителя). Реализуемая удельная энергия меньше теоретической, так как получаемая энергия меньше запасенной из-за потерь в процессе преобразования энергии и неполного ее использования, а масса (объем) источника (накопителя) больше массы (объема) активных компонентов за счет конструктивных узлов и вспомогательных компонентов, узлов и систем.

Удельная мощность – это мощность, отдаваемая источником (накопителем) и отнесенная к его массе или объему. Она характеризует скорость передачи энергии в каждый момент процесса преобразования. Ее единицы измерения – Вт/кг, Вт/м³. Применительно к СБ используют понятия удельной мощности по массе (Вт/кг) и по площади (Вт/м²), а применительно к ХИТ – близкий по смыслу термин «скорость разряда».

Срок службы – это календарная продолжительность эксплуатации объекта от начала работы до перехода в предельное состояние, при котором дальнейшее применение объекта по назначению недопустимо или нецелесообразно. Измеряют в единицах времени: часы, месяцы, годы. Применительно к циклически работающим накопителям энергии, в частности, к аккумуляторам, наряду со сроком службы часто используют оценку по числу циклов.

Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. Надежность оценивают вероятностью обеспечения требуемых характеристик в течение заданного промежутка времени. Надежность характеризуется безотказностью (свойством объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки), долговечностью (свойством объекта длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации), ремонтопригодностью (приспособленностью к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта), сохраняемостью (свойством объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования) и живучестью (способностью объекта выполнять основные свои функции, несмотря на полученные повреждения, либо адаптируясь к новым условиям) объекта.

Из других терминов, имеющих отношение к надежности, следует отметить такие как работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданную функцию с параметрами, установленными требованиями технической документации; повреждение – нарушение исправного состояния при сохранении работоспособности; отказ – нарушение работоспособности; наработка – продолжительность или объем работы объекта.

[методичка рыхлая]

Требования к ЭК для космического применения

Солнечные батареи

Основным источником электроэнергии на борту КА в настоящее время являются СБ. Среди преимуществ СБ следует отметить отработанность технологии их изготовления, гарантированную надежность работы в космосе, отсутствие движущихся узлов и деталей (за исключением системы развертывания СБ и системы ориентации СБ на Солнце), отсутствие ионизирующего излучения, простоту отвода тепла.

К недостаткам можно отнести необходимость использования накопителей энергии, аэродинамическое торможение при полете на низких околоземных орбитах, высокая инерционность КА с СБ, снижающая его маневренность.

КПД СБ зависит от ряда факторов: коэффициента поглощения света, распределения энергии поглощенного света между собственным, примесным, экситонным, решеточным поглощением и поглощением носителями заряда.

Все процессы поглощения фотонов можно разделить на две группы: с ионизацией атомов полупроводника и без ионизации. СТРАНИЦА 83 Амброзяк. Потери на странице 273

СБ преобразует только часть падающего на него света в электроэнергию. Остальная часть энергии падающего света теряется по ряду причин: отражение света, пропускание до заднего металлического электрода, потери в самом процессе преобразования поглощенного излучения.

Отражение в значительной мере определяется состоянием поверхности и физическими параметрами полупроводника. Отражение для Si в видимой области составляет около 40% [Амброзяк]. Снизить отражение можно путем применения просветляющих покрытий, причем для СБ из Si просветляющее покрытие можно получить из SiO₂ в процессе создания p-n перехода.

Количество энергии, которая проходит через всю толщину СБ и бесполезно поглощается задним металлическим электродом, определяется коэффициентом поглощения излучения и толщиной фотоэлемента:

где - коэффициент поглощения, - толщина полупроводниковой пластинки, - энергия падающего света с длиной волны , – коэффициент отражения.

СТРАНИЦА 276

Не вся поглощенная полупроводником энергия идет на образование пар носителей заряда. Часть энергии тратится на образование экситонов и фононов. Поглощение, связанное с генерацией пар электрон-дырка, определяется квантовым выходом внутреннего фотоэффекта. КПД процесса генерации пар носителей заряда определяется выражением: (14.4 стр 276)

где – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, – граничная длина волны собственной фотопроводимости.

КПД зависит от ширины запрещенной зоны. При увеличении ширины запрещенной зоны более полно используется коротковолновая часть спектра солнечного излучения, но теряется длинноволновая. Оптимальная ширина запрещенной зоны для применения СБ вне атмосферы составляет примерно -1.6 эВ, при этом наибольшая часть энергии солнечного излучения расходуется на генерацию пар электрон-дырка.

В прохождении электрического тока во внешней цепи принимают только те пары носителей, которые генерируют на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионной длины. Остальные пары рекомбинируют перед их разделением потенциальным барьером и определяют токовые потери. КПД фотоэлемента по току определяется выражением:

(14.5 стр 278)

где – коэффициент разделения носителей.

Фотоны с энергией, значительно превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, образуют пары электрон-дырка с энергией значительно больше средней энергии равновесных носителей заряда. Однако избыток энергии быстро теряется в результате соударения с атомами кристаллической решетки, приближая энергию образованных носителей к средней энергии равновесных носителей. Это явление определяет потерю напряжения в фотоэлементе: (14.6 стр 279)

где – фото-ЭДС.

Пути повышения КПД:

1. Использование многослойных фотоэлементов. Позволяет уменьшить потери, обусловленные неполным поглощением излучения в одном полупроводнике, путем применения нескольких полупроводников, наиболее подходящих для отдельных областей спектра и перекрывающих в сумме весь спектр солнечного излучения. [алферов]

2. Использование энергетических уровней, лежащих в запрещенной зоне полупроводника, с целью осуществления возможности перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости при поглощении фотонов с величиной энергии, недостаточной для осуществления прямых переходов между зонами. (стр. 315 амброзяк)

3. Повышение диффузионной длины неосновных носителей следующими способами: создание в базе с помощью соответствующего распределения примеси тянущего поля, создание поля вблизи тыльной стороны фотоэлемента для отражения неосновных носителей от нее и тем самым для снижения скорости поверхностной рекомбинации, создание поля вблизи фронтальной поверхности для ускорения носителей, генерированных в лицевом слое, в направлении к p-n-переходу. [фаренбухGoradia and Goradia, 1976]

4. Создание многопереходных элементов с вертикально расположеннымиp-n-переходами. Повышается чувствительность к красной части спектра, отсутствуют потери, характерные при наличии лицевой токосъемной сетки. (рисунок на стр.182 Фаренбух)

5. Создание фотоэлементов с гофрированной поверхностью p-n-перехода. (рисунок на стр.183 Фаренбух). Скошенные углы служат ловушками для света и выполняют функции просветляющего элемента. [Frank, Goodrich, 1980; Lindmayer, Wrigley, 1976]

6. Создание тандемных фотоэлементов. На тыльной стороне располагают n⁺ и p⁺-контакты, а на лицевой стороне - n⁺-слой, который может быть изолирован или иметь контактный вывод. Лицевая поверхность текстурирована, а вблизи тыльного контакта созданы изотипные переходы. За счет соответствующей технологии изготовления тыльного контакта максимально увеличен коэффициент отражения света от тыльной поверхности, отраженный свет снова проходит через поглощающий слой. Собирание носителей заряда на тыльной стороне обеспечивает снижение потерь, связанных с рекомбинацией на тыльной поверхности. Отсутствие потерь, характерных при наличии лицевой токосъемной сетки.

7. Создание фотоэлементов с толщиной, обеспечивающей оптимальный коэффициент отражения длинноволнового света для его вторичного прохождения через фотоэлемент. При этом повышается удельная мощность по весу и повышается стойкость к воздействию частиц высокой энергии по причине тонкой области рекомбинационных потерь.

Фаренбух 214

Требования к топливу

Источником тепла, или топливом радиоизотопных источников тока являются достаточно короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов. Основными требованиями к изотопам и, соответственно, к источникам тепла изготовленных из них соединений и сплавов являются: достаточно большой период полураспада, безопасность в обращении и эксплуатации (желательно отсутствие жёсткого гамма-излучения и нейтронов), высокая температура плавления сплавов и соединений, большое удельное энерговыделение, а для изотопов, способных к делению, также и возможно большая критическая масса. Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая энергия, которую можно использовать.

Следует отметить то обстоятельство, что выбор изотопного источника тепла прежде всего определяется диапазоном выполняемых энергоисточником задач и временем выполнения этих задач. Огромным недостатком радиоизотопов является то обстоятельство, что их энерговыделение невозможно регулировать (остановить или ускорить), можно лишь отсекать поток тепла от преобразователей.

Вакуумные атомные элементы

Принцип работы основан на генерации электрической энергии в результате работы, совершаемой продуктами радиоактивного распада (заряженными частицами) против сил электрического поля. Электрическая энергия в таком преобразователе получается непосредственно, без преобразования других видов энергии. По конструкции представляют собой две концентрические или параллельные поверхности (электроды), разделенные зазором, который может быть вакуумирован или заполнен диэлектриком. Одна из поверхностей, на которую наносится радиоактивный изотоп, служит излучателем, другая — приемником. Заряженные частицы, испускаемые излучателем, собираются на коллекторе и заряжают его противоположно по отношению к излучателю. Максимальная разность потенциалов на электродах ограничивается энергией заряженных частиц и обычно достигает нескольких киловольт. Сила тока атомного элемента зависит от интенсивности радиоактивного источника.

МАХОВИКИ

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

Супермаховик — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии, благодаря конструктивным особенностям.

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм веса. В частности, в 1964 году советский инженер Н. В. Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %.

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является гироскопический эффект, обусловленный большим моментом импульса вращающегося маховика, и препятствующий изменению направления оси вращения маховика. Для исключения этого нежелательного эффекта при применении маховиков в качестве накопителей энергии на транспортных средствах можно применить подвеску маховика в кардановом подвесе, но это существенно усложняет конструкцию.

Показатели и характеристики различных источников электроэнергии

Для сравнительной оценки существующих и разрабатываемых источников используют ряд показателей: КПД, удельная мощность, удельная энергия, срок службы (ресурс), надежность. Некоторые характеристики, такие как надежность и срок службы, применимы к различным устройствам. Другие характеристики и показатели учитывают специфику изделий.

КПД – это отношение количества энергии, отдаваемой потребителю в течение цикла или определенного отрезка времени, к количеству энергии, получаемой от первичного источника энергии в течение того же цикла или того же отрезка времени. КПД измеряется в относительных единицах или в процентах и характеризует степень совершенства устройства (преобразователя энергии, средств передачи и накопления энергии, потребителя энергии).

Удельная энергия имеет несколько разновидностей: теоретическая и реализуемая, массовая и объемная. Теоретическая удельная энергия – это максимальное количество энергии, запасенной в активных компонентах источника тока (накопителя энергии), отнесенное к массе или объему активных компонентов. В системе СИ единицы измерения удельной энергии – Дж/кг или Дж/м³. Чаще употребляют Вт∙ч/кг или Вт∙ч/ м³.

Реализуемая удельная энергия – это отношение энергии, отдаваемой источником тока (накопителем) потребителю (за цикл), к полной массе или объему источника (накопителя). Реализуемая удельная энергия меньше теоретической, так как получаемая энергия меньше запасенной из-за потерь в процессе преобразования энергии и неполного ее использования, а масса (объем) источника (накопителя) больше массы (объема) активных компонентов за счет конструктивных узлов и вспомогательных компонентов, узлов и систем.

Удельная мощность – это мощность, отдаваемая источником (накопителем) и отнесенная к его массе или объему. Она характеризует скорость передачи энергии в каждый момент процесса преобразования. Ее единицы измерения – Вт/кг, Вт/м³. Применительно к СБ используют понятия удельной мощности по массе (Вт/кг) и по площади (Вт/м²), а применительно к ХИТ – близкий по смыслу термин «скорость разряда».

Срок службы – это календарная продолжительность эксплуатации объекта от начала работы до перехода в предельное состояние, при котором дальнейшее применение объекта по назначению недопустимо или нецелесообразно. Измеряют в единицах времени: часы, месяцы, годы. Применительно к циклически работающим накопителям энергии, в частности, к аккумуляторам, наряду со сроком службы часто используют оценку по числу циклов.

Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. Надежность оценивают вероятностью обеспечения требуемых характеристик в течение заданного промежутка времени. Надежность характеризуется безотказностью (свойством объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки), долговечностью (свойством объекта длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации), ремонтопригодностью (приспособленностью к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта), сохраняемостью (свойством объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования) и живучестью (способностью объекта выполнять основные свои функции, несмотря на полученные повреждения, либо адаптируясь к новым условиям) объекта.

Из других терминов, имеющих отношение к надежности, следует отметить такие как работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданную функцию с параметрами, установленными требованиями технической документации; повреждение – нарушение исправного состояния при сохранении работоспособности; отказ – нарушение работоспособности; наработка – продолжительность или объем работы объекта.

[методичка рыхлая]

Требования к ЭК для космического применения

Солнечные батареи

Основным источником электроэнергии на борту КА в настоящее время являются СБ. Среди преимуществ СБ следует отметить отработанность технологии их изготовления, гарантированную надежность работы в космосе, отсутствие движущихся узлов и деталей (за исключением системы развертывания СБ и системы ориентации СБ на Солнце), отсутствие ионизирующего излучения, простоту отвода тепла.

К недостаткам можно отнести необходимость использования накопителей энергии, аэродинамическое торможение при полете на низких околоземных орбитах, высокая инерционность КА с СБ, снижающая его маневренность.

КПД СБ зависит от ряда факторов: коэффициента поглощения света, распределения энергии поглощенного света между собственным, примесным, экситонным, решеточным поглощением и поглощением носителями заряда.

Все процессы поглощения фотонов можно разделить на две группы: с ионизацией атомов полупроводника и без ионизации. СТРАНИЦА 83 Амброзяк. Потери на странице 273

СБ преобразует только часть падающего на него света в электроэнергию. Остальная часть энергии падающего света теряется по ряду причин: отражение света, пропускание до заднего металлического электрода, потери в самом процессе преобразования поглощенного излучения.

Отражение в значительной мере определяется состоянием поверхности и физическими параметрами полупроводника. Отражение для Si в видимой области составляет около 40% [Амброзяк]. Снизить отражение можно путем применения просветляющих покрытий, причем для СБ из Si просветляющее покрытие можно получить из SiO₂ в процессе создания p-n перехода.

Количество энергии, которая проходит через всю толщину СБ и бесполезно поглощается задним металлическим электродом, определяется коэффициентом поглощения излучения и толщиной фотоэлемента:

где - коэффициент поглощения, - толщина полупроводниковой пластинки, - энергия падающего света с длиной волны , – коэффициент отражения.

СТРАНИЦА 276

Не вся поглощенная полупроводником энергия идет на образование пар носителей заряда. Часть энергии тратится на образование экситонов и фононов. Поглощение, связанное с генерацией пар электрон-дырка, определяется квантовым выходом внутреннего фотоэффекта. КПД процесса генерации пар носителей заряда определяется выражением: (14.4 стр 276)

где – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, – граничная длина волны собственной фотопроводимости.

КПД зависит от ширины запрещенной зоны. При увеличении ширины запрещенной зоны более полно используется коротковолновая часть спектра солнечного излучения, но теряется длинноволновая. Оптимальная ширина запрещенной зоны для применения СБ вне атмосферы составляет примерно -1.6 эВ, при этом наибольшая часть энергии солнечного излучения расходуется на генерацию пар электрон-дырка.

В прохождении электрического тока во внешней цепи принимают только те пары носителей, которые генерируют на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионной длины. Остальные пары рекомбинируют перед их разделением потенциальным барьером и определяют токовые потери. КПД фотоэлемента по току определяется выражением:

(14.5 стр 278)

где – коэффициент разделения носителей.

Фотоны с энергией, значительно превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, образуют пары электрон-дырка с энергией значительно больше средней энергии равновесных носителей заряда. Однако избыток энергии быстро теряется в результате соударения с атомами кристаллической решетки, приближая энергию образованных носителей к средней энергии равновесных носителей. Это явление определяет потерю напряжения в фотоэлементе: (14.6 стр 279)

где – фото-ЭДС.

Пути повышения КПД:

1. Использование многослойных фотоэлементов. Позволяет уменьшить потери, обусловленные неполным поглощением излучения в одном полупроводнике, путем применения нескольких полупроводников, наиболее подходящих для отдельных областей спектра и перекрывающих в сумме весь спектр солнечного излучения. [алферов]

2. Использование энергетических уровней, лежащих в запрещенной зоне полупроводника, с целью осуществления возможности перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости при поглощении фотонов с величиной энергии, недостаточной для осуществления прямых переходов между зонами. (стр. 315 амброзяк)

3. Повышение диффузионной длины неосновных носителей следующими способами: создание в базе с помощью соответствующего распределения примеси тянущего поля, создание поля вблизи тыльной стороны фотоэлемента для отражения неосновных носителей от нее и тем самым для снижения скорости поверхностной рекомбинации, создание поля вблизи фронтальной поверхности для ускорения носителей, генерированных в лицевом слое, в направлении к p-n-переходу. [фаренбухGoradia and Goradia, 1976]

4. Создание многопереходных элементов с вертикально расположеннымиp-n-переходами. Повышается чувствительность к красной части спектра, отсутствуют потери, характерные при наличии лицевой токосъемной сетки. (рисунок на стр.182 Фаренбух)

5. Создание фотоэлементов с гофрированной поверхностью p-n-перехода. (рисунок на стр.183 Фаренбух). Скошенные углы служат ловушками для света и выполняют функции просветляющего элемента. [Frank, Goodrich, 1980; Lindmayer, Wrigley, 1976]

6. Создание тандемных фотоэлементов. На тыльной стороне располагают n⁺ и p⁺-контакты, а на лицевой стороне - n⁺-слой, который может быть изолирован или иметь контактный вывод. Лицевая поверхность текстурирована, а вблизи тыльного контакта созданы изотипные переходы. За счет соответствующей технологии изготовления тыльного контакта максимально увеличен коэффициент отражения света от тыльной поверхности, отраженный свет снова проходит через поглощающий слой. Собирание носителей заряда на тыльной стороне обеспечивает снижение потерь, связанных с рекомбинацией на тыльной поверхности. Отсутствие потерь, характерных при наличии лицевой токосъемной сетки.

7. Создание фотоэлементов с толщиной, обеспечивающей оптимальный коэффициент отражения длинноволнового света для его вторичного прохождения через фотоэлемент. При этом повышается удельная мощность по весу и повышается стойкость к воздействию частиц высокой энергии по причине тонкой области рекомбинационных потерь.

Фаренбух 214