Техника - молодёжи 1956-05, страница 13

гелиоэнергетике he нужны пос ^ брать энергию прямо от солнц

На цветной вкладке показаны два проекта мощных электрических станций, преобразующих энергию солнечных лучей в электрическую двумя принципиально различными способами.

На верхнем рисунке — тепловая гелиостанция. Лучи Солнца, собираемые большими плосиими зеркалами площадью по 15 кв. м каждое, фокусируются на паровом котле, установленном в центре огромного зеркального «поля» площадью в несколько гектаров.

Котел представляет собой огромный ящик, через который проходит большое количество зачерненных металлических труб. Падающие на трубы «зайчики» — сконцентрированные зеркалами лучи Солнца — мгновенно нагревают проходящую через трубы воду. Пар поступает в паровую турбину, вращающую генератор электрического тока. Известно, что в фо иусе параболического зеркала, если сконцентрировать солнечные лучи на очень маленьком участке (менее 1 кв. см), можно получить температуру, достигающую 85«/, температуры, существующей на поверхности Солнца!

Так как Солнце непрерывно перемещается по небосводу, то зеркала устроены подвижными, они могут двигаться на рельсах по кругу и наклоняться, тем самым всегда подстав

е д н и к и —

ляя свою поверхность под прямым углом к солнечным лучам. В соответствии с перемещением зеркал поворачивается и рабочая поверхность котла, принимая на себя сконцентрированный поток света, исходящий от 1 300 зеркал. 19 300 кв. м поверхности зеркал (около 2 гектаров) позволяют в нормальный солнечный день в южных районах страны, например в Араратской долине Армянской ССР, для которой разрабатывается данный проект, получить мощность, равную почти 1 200 квт! В год станция выработает около 2,5 миллиона квт-ч электрической энергии. Коэффициент полезного действия такой установки равняется примерно 350/в'

Второй рисунок изображает пока еще теоретический проент гелиостанции, у которой вместо зеркал используются плоские батареи, собранные из полупроводниковых фотоэлементов, превращающих солнечный свет непосредственно в электрический ток, минуя паровой котел, турбину и генератор.

Коэффициент полезного действия таких фотоэлементов достигает теперь 10—11»/,. 2 гектара поверхности полупроводниковых фотоэлементов позволяют получить электрическую энергию мощностью до 2 тыс. нвт. Так же как и зеркала у тепловой гелиостанции, батареи фотоэлементов могут вращаться вокруг своей оси и наклоняться в зависимости от положения Солнца на небосводе.

Управление ими будет полностью механизировано и автоматизировано.

электрон, ранее заполнявший одну из каких-либо валентных связей между атомами германия. Дырка, оставшаяся у атома германия после присоединения его электрона к атому примеси, может перемещаться по полупроводнику путем замещения ее валентными электронами от других атомов германия, что приводит к образованию дырок в других- местах кристалла. Так как электроны, оставляющие свои валентные связи, при этом закрепляются около атомов примеси, то образование дырок не сопровождается освобождением электронов и количество образующихся дырок оказывается практически равным только количеству трехвалентных атомов примеси.

Полупроводник, в котором добавление примеси приводит к количественному преобладанию электронов над дырками, называют электронным или полупроводником с отрицательной проводимостью, а при обратном соотношении — дырочным или полупроводником с положительной проводимостью.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Успехи, достигнутые в создании полупроводниковых приборов, во многом определяются тем, что научились изготовлять очень чистые и весьма совершенные по кристаллической структуре образцы полупроводников, обладающие в одной части электронной, а в другой — дырочной проводимостью. Граничная область между двумя частями такого полупроводника с разными типами проводимости называется электронно-дырочным, или э-д переходом. В зарубежной литературе, а часто и в нашей, они называются также п-р переходами.

Так как в электронной части имеется много электронов, а в дырочной части

КРИСТАЛЛ ПОЛУПРОВОДНИКА - КРЕМНИЯ. Электроны в нем связаны со своими атомами значительно слабее, чем в алмазе, и уже при комнатных температурах в нем появляются свободные электроны, покидающие свои атомы, у которых вследствие этого образуются «дырки». В нрнсталле появляется хаотическое движение носителей зарядов отрицательных и положительных (электронов и «дырок»), направленное всегда навстречу друг другу. Чнсло их одинаково, и в кристалле происходит только взаимное перемещение зарядов, которое внешне никак не проявляется. В гараже поднятая на верхний этаж машина может двигаться в любом направлении (свободный электрон), в то время кан в нижнем этаже движение машин ограничено («дырка» заполняется соседним, перескочившим в нее электроном).

полупроводника их мало, то некоторые электроны распространяются и в дырочную часть благодаря самодиффузии, подобно тому как сахар, растворяясь в воде, постепенно распространяется из мест, в которых концентрация его больше, в места, где она меньше. Но в отличие от самодиффузии электрически нейтральных молекул сахара переход электронов связан также с переносом отрицательного электрического заряда. Поэтому переход электронов в дырочную часть полупроводника заряжает ее отрицательно, причем электронная часть вследствие ухода из нее электронов заряжается положительно. Самодиффузия дырок из дырочной части в электронную действует в том же направлении. Таким образом, внутри полупроводника на границе между электронной и дырочной его частями возникает переходная область, одна часть которой заряжена положительно, а другая — отрицательно. Эта область подобна электрическому конденсатору, на обкладках которого имеются заряды противоположного знака, но в отличие от него в э-д переходе противоположные заряды не сосредоточены на поверхностях, а диффузно распределены в тонком переходном слое. Как между пластинами заряженного конденсатора, так и между противоположно заряженными электронной и дырочной частями одного и того же полупроводника имеется разность потенциалов, которая, однако, устанавливается и сохраняется не с помощью внешнего источника, а вследствие самодиффузии электронов внутри полупроводника. Эта разность потенциалов, однажды установившись, направлена таким образом, что затем уже препятствует дальнейшей самодиффузии и поддерживает равновесное состояние. Электроны в большом числе устремляются из электронной части полупроводника в дырочную, однако уже накопленный в дырочной части отрицательный заряд отталкивает их обратно. Сила отталкивания тем

больше, чем выше разность потенциалов между электронной и дырочной частями полупроводника. Поэтому только очень малая часть потока электронов может преодолевать отталкивание и проникнуть из электронной части в дырочную.

Наоборот, ничтожное количество электронов, имеющееся в дырочной части, не испытывает никаких препятствий у границы переходной области, поскольку дырочная часть, вследствие ухода из нее части дырок, заряжена отрицательно.

Если считать, что электронная часть находится слева, а дырочная — справа, то можно представить себе дело так, что из левой части в правую двигается мощный поток электронов, но у границ переходной области он встречает барьер, и только маленькая часть электронов, обладающих очень большими энергиями, может взобраться на этот барьер и проникнуть в правую часть. Наоборот, из правой части в левую двигается очень слабый поток электронов, но зато он весь легко скатывается с барьера в левую часть. Чем выше барьер, тем меньше проникает электронов из левой части в правую, но высота барьера не влияет на число электронов, которое скатывается из правой части в левую.

Когда к полупроводнику не приложено извне напряжение, то в нем, естественно, нет тока, а это возможно при наличии двух противоположных потоков электронов внутри него в том случае, когда они равны между собой. Таким образом, внутри образца между левой электронной частью и правой дырочной автоматически устанавливается такая по величине внутренняя разность потенциалов, или, как ее называют, контактная разность потенциалов, при которой оба потока компенсируют друг друга. В полупроводниковых приборах из германия контактная разность потенциалов составляет несколько десятых вольта.