Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 19
1.1 Электроперенос в ФЭП 26
1.2 Вольт—амперная характеристика 29
1.3 Спектральные характеристики 30
1.4 Коэффициент поглощения 32
1.5 Коэффициент отражения 33
1.6 Нахождение тока короткого замыкания 34
1.6.1 Неосновные носители заряда в п-области 35
1.6.2 Неосновные носители заряда в р - области 37
1.7 Модели, применяемые для оценки вырабатьшаемой мощности 38
1.7.1 Модель КПД 39
1.7.2 Модель поправочных коэффициентов 40
1.7.3 Физическая модель 41
1.7.4 Статистическая модель 42
Глава 2. Анализ работы СБ в период с 1996 по 2003 гг 44
2.1 Приборы и методы исследований 44
2.2 Анализ данных 47
2.3 Комплекс параметров, влияющих на работу СБ 55
2.3.1 Солнечная радиация 55
2.3.2 Температура воздуха и скорость ветра 56
2.3.3 Влажность и давление воздуха 56
2.3.4 Вольтамперная характеристика СБ 57
2.4 Результаты проведенного исследования 57
Глава 3. Мобильная станция мониторинга работы СБ 59
3.1 Структура мобильной станции мониторинга работы СБ 59
3.2 Датчики 64
3.3 Программа управления мобильной станцией 67
3.4 Объекты исследования и места проведения испытаний 71
3.5 Описание базы данных 73
3.6 Результаты работы мобильной станции 73
Глава 4. Разработка методики прогнозирования 80
4.1 Определение приходящей солнечной радиации на поверхность СБ 80
4.2 Построение эмпирической модели 81
4.2.1 Определение парных коэффициентов корреляции 82
4.2.2 Проверка на нормальное распределение 84
4.2.3 Нахождение температуры СБ 89
4.2.4 Нахождение напряжения холостого хода 91
4.2.5 Нахождение рабочего напряжения 93
4.2.6 Нахождение тока КЗ 95
4.2.7 Нахождение рабочего тока 96
4.2.8 Расчет мощности СБ 97
4.2.9 Уравнения регрессии 98
4.3 Проверка регрессионных уравнений 99
4.4 Методика прогнозирования 102
Основные результаты работы 104
Приложение 1 ПО
- Вольт—амперная характеристика
- Комплекс параметров, влияющих на работу СБ
- Программа управления мобильной станцией
- Построение эмпирической модели
Введение к работе
В связи с увеличением потребления электроэнергии, ограниченности
запасов обычных источников энергии - угля и нефти появляется
необходимость разработки и применения альтернативных источников
энергии [1-6]. Среди разнообразия экологически чистых источников энергии
преобразование солнечного излучения в электричество представляется
наиболее привлекательным и перспективным с точки зрения энергетических
технологий будущего [7-11]. Полное количество солнечной энергии,
поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана [12-14].
Солнечная энергетика может получить масштабное развитие в нашей стране. По мнению экспертов, эта отрасль, мировые темпы роста которой составляют 40-60% в год, очень актуальна для России. Во многих областях Сибири и на юге страны число солнечных дней в году может достигать трехсот. Этот показатель сопоставим с климатическим состоянием Южной Европы, где фотоэлектрические установки используются активно[53].
По данным Европейской ассоциации фотоэнергетики и Greenpeace, к концу 2007 года мощность фотоэлектрических систем в мире достигла 9200 МВт, а к 2030 года эта цифра превысит 1800 ГВт. Таким образом, солнечная энергия сможет обеспечивать электричеством более 4 миллиардов человек и создать миллионы рабочих мест. Однако в структуре российского рынка на возобновляемые источники приходится не более 0,7% энергии.
На сегодняшний день рекорд КПД солнечной станции — 40% — принадлежит американцам. Им удалось превысить российский рекорд в 35%, державшийся до недавнего времени. Теоретический же предел КПД преобразования солнечной энергии составляет 87%. По словам академика Ж.
Алферова, США рассчитывают к середине XXI столетия производить две трети всей энергии от Солнца.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которые в России получили название нетрадиционных - это солнечное излучение, энергия ветра, энергия малых рек и водотоков, приливов, энергия биомассы (дрова, бытовые и сельскохозяйственные отходы, отхода животноводства, птицеводства, лесозаготовок, лесной, деревообрабатывающей и целюлезно-бумажной промышленности), геотермальная энергия, а также рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды океанов, морей и водоемов).
Всё это многообразие источников сводится к трем глобальным видам источников: энергии Солнца, тепла Земли и энергии орбитального движения планет, причем солнечное излучение по мощности превосходит остальные более чем в 1000 раз.
Невозобновляемыми источниками энергии являются нефть, газ, уголь, сланцы. Извлекаемые запасы органического топлива в мире оцениваются следующим образом, млрд. т. у.т: уголь - 4850; нефть - 1140; газ -310; всего 6300.
При уровне мировой добычи 90-х годов запасов угля хватит на 1500 лет, нефти - на 250 лет и газа - на 120 лет.
Между тем теоретический потенциал солнечной энергии, приходящий на Землю в течение года, превышает все извлекаемые запасы органического топлива в 10-20 раз.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в настоящее время оценивается в 20 млрд т. у.т. в год. что в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива.
Повсеместный переход на возобновляемые источники энергии не происходит потому, что промышленность, машины, оборудование и быт людей на Земле сориентированы на органическое топливо. Кроме того, некоторые
виды возобновляемых источников энергии непостоянны и имеют низкую плотность энергии. До недавнего времени еще называли и высокую стоимость возобновляемых источников, но, как будет показано ниже, это уже во многом не соответствует действительности.
Основные преимущества возобновляемых источников энергии -неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетического баланса планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетика, экология, продовольствие.
Задача удовлетворения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства в электрической и тепловой энергии, особенно в регионах, удалённых от централизованных энергосетей, а также более глобальные проблемы энергообеспечения России в будущем и обеспечения экологической чистоты её территории, приводят к необходимости развития малой и нетрадиционной энергетики.
Комплексное освоение местных ископаемых и нетрадиционных источников энергии позволяет решить серьёзные социально-экономические проблемы:
обеспечения бытовых и производственных потребителей более чем на 70% территории России с населением около 22 млн. человек, в настоящее время не охваченных системой централизованного энергоснабжения;
повышения надёжности энергообеспечения всех районов страны за счёт создания резервных источников;
снижения вредных воздействий энергетики на природную среду посредством использования экологически чистых новых и
возобновляемых источников энергии и постепенной замены ими
традиционных источников. Существуют районы страны, где по экономическим и экологическим условиям целесообразно приоритетное развитие малой и нетрадиционной энергетики, в том числе:
зоны децентрализованного энергоснабжения с низкой плотностью населения;
зоны централизованного энергоснабжения с большим дефицитом мощности и значительными потерями в сельскохозяйственном производстве из-за частых отключений энергосети;
города и места массового отдыха населения со сложной экологической обстановкой, вызвано вредными выбросами в атмосферу промышленных и городских котельных на органическом топливе;
зоны с проблемами энергообеспечения индивидуального жилья, фермерских хозяйств, мест сезонной работы, садово-огородных строений.
Особенностью современного состояния научно-технических разработок и практического использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии являлась более высокая стоимость получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками. В то же время существует устойчивая во времени тенденция снижения стоимости нетрадиционных возобновляемых источников энергии, обусловленная научными достижениями в совершенствовании методов их использования, и тенденция повышения стоимости традиционных ископаемых источников энергии, вызванная их истощением и усложнением технологии добычи.
В ближайшем будущем стоимость отдельного солнечного элемента и комплектуемых на его основе больших солнечных батарей и энергетических комплексов, значительно снизится, и существенно повысится их коэффициент
полезного действия (КПД), что сделает экономически выгодным использование солнечной энергии в больших масштабах.
В настоящее время разрабатываются долгосрочные программы исследования взаимодействия солнечного излучения со структурой различных материалов, основной задачей которых является создание адекватных физических и математических моделей активной фоточувствительной среды в различных спектральных диапазонах солнечного излучения.
Преобразование энергии в современных солнечных элементах основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в полупроводниковых структурах с электрическими барьерами при воздействии на них солнечного излучения [1,17,18,19]. Барьерная структура фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) может быть получена в наиболее простом случае легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание р-n переходов), либо (в более сложных структурах) соединением различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны (получение гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава, что приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны (варизонные структуры). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Основные направления развития солнечных элементов представлены на рис Л, а также их конструкций, рис.2.
Увеличение
срока
службы
Повышение
радиоционной
стойкости
Снижение стоимости
Повышение
Снижение веса
;[ ;
Новые материаллы
Новые конструкции
Новые технологии
Новые методики контроля и испытаний
Рис.1. Основные пути развития солнечных элементов.
монокристалические кремниевые
на основе сложных
полупроводниковых
соединений
Аморфные
Однопереходные
Каскадные (тандемные)
Тонкопленочные
с концентраторами солнечного излучения
Рис.2. Конструкции солнечных элементов.
Актуальность представленной тематики обусловлена высокими темпами развития солнечной энергетики и расширением географии использования солнечных батарей (СБ) в регионах, имеющих сложную метеорологическую и
техногенную структуру атмосферы. [21,22] Проведённые исследования
соответствуют приоритетным направлениям развития науки и техники и позволяют расширить традиционную географию использования кремниевых солнечных энергетических установок в России (Алтай, Южные области и республики РФ и т.д.) на регионы, где ранее солнечная энергетика не использовалась, такие как Томская, Новосибирская области, Якутия, Сахалин и т.д.
Проведенные исследования показали, что фактически все районы Сибири и Дальнего Востока доступны для применения солнечной энергии[22,53]. Данный факт подтверждается публикациями о проведенных исследованиях на ведущих Российских и Европейских конференциях по возобновляемым источникам энергии. В связи с тем, что стоимость традиционных источников энергии стремительно растет, в настоящее время в регионах без стационарной сети электропитания все чаще применяют солнечные энергетические установки вместо дизельных электрогенераторов. Это не только позволяет снизить экологическую нагрузку на экосферу, но и экономически выгодно. Так, например, в Приморском крае на удаленной ретрансляционной станции для электропитания используют дизель-генератор, для которого периодически поставляют топливо. Итоговая себестоимость электроэнергии составляет Пруб/кВт час. В то же время при установке солнечных энергетических установок (СЭУ) мощностью 200 Вт себестоимость электроэнергии составляет 7руб/кВт час при расчете на 10 летний срок службы системы. Данный пример говорит о том, что развитие солнечных энергетических систем является приоритетным и актуальным в настоящее время.
Однако в отличие от традиционных источников энергии, работа СБ зависит от многих факторов, как климатических, так и техногенных (аппаратных).
Всю совокупность факторов, которые оказывают влияние на работу СБ в натурных условиях, можно разделить на две группы:
Техногенные (аппаратные) факторы, обусловленные конструкцией и технологией изготовления СБ и СЭУ, углом размещения СБ по отношению к горизонту, характеристиками элементов СЭУ: контролером, аккумулятором, инвертором и д.р.
Климатические факторы, обусловленные воздействием различных климатических параметров на выходные энергетические характеристики СБ. К таким факторам можно отнести солнечную радиацию, температуру воздуха, влажность, скорость ветра.
При расчете конструкции солнечной энергетической системы необходимо учитывать климатические особенности региона, где планируется использовать СБ.
Для решения данной задачи необходимо:
разработать модель СБ с учетом воздействия климатических и техногенных факторов.
провести натурные испытания СБ при одновременном мониторинге параметров атмосферы и характеристик СБ.
В проводимых другими институтами исследованиях, как правило, отсутствует связь между климатическими параметрами и энергетическими характеристиками СБ. Особое внимание уделяется суточной и месячной выработке электроэнергии и влиянию температурных характеристик на работу солнечной батареи. [23]
По данным, представленным на европейской конференции по солнечной
энергии, отсутствуют материалы по многолетним натурным испытаниям
солнечных энергетических комплексов на территории России, а многолетние
испытания с одновременным контролем параметров атмосферы не проводились
на настоящий момент, ни в России, ни в других странах. Так, например,
полностью отсутствуют данные об эффективности работы солнечных
энергетических установок в Азиатской части континента (по данным,
представленным на европейской конференции по солнечной энергии 1-5
сентября 2008г. в Испании) [24].
Наиболее важной характеристикой солнечных энергетических установок является количество энергии, вырабатываемой и запасенной за год, месяц и т.д. Этот же показатель является важнейшим и при определении параметров длительности жизни системы. Для получения надежных расчетных данных количества энергии, которую вырабатывает СБ, необходима точная модель работы солнечной батареи и энергетической системы. Такая модель представляет собой механизм, необходимый для расчета рабочих характеристик системы и для сравнения экспериментальных и расчетных данных производства энергии. Именно использование такого подхода позволит получить результаты, в которых просчитано влияние первостепенных факторов на энергию постоянного тока, получаемую от солнечных батарей.
Цель.
Целью работы является разработка методов и средств исследования кремниевых СБ малой мощности с учетом природных и аппаратных факторов, а также усовершенствование методики прогнозирования вырабатываемой мощности на основе метеорологических данных региона. Задачи.
Проведение натурных испытаний СБ и СЭУ до 200 Вт в Сибири и на Дальнем Востоке.
Разработка стационарных и мобильных программно - аппаратных средств мониторинга работы кремниевых СБ в натурных условиях.
Анализ одиннадцатилетней работы кремниевой СБ в натурных условиях Сибири и Дальнего Востока и разработка рекомендаций по их использованию в системах с автономным питанием.
Обоснование комплекса природных и аппаратных факторов, определяющих работу кремниевых солнечных батарей в натурных условиях, и разработка модели их влияния.
Усовершенствование методики прогнозирования вырабатываемой электрической мощности кремниевой СБ малой мощности при воздействии природных и аппаратных факторов для регионов Сибири и Дальнего Востока.
Научная новизна.
Получена математическая совокупность соотношений, определяющих зависимость вырабатываемой мощности СБ от комплекса климатических и аппаратных факторов с погрешностью не хуже 5%, на основании которой усовершенствован метод прогнозирования вырабатываемой мощности кремниевой солнечной батареи с учетом климатических особенностей местности, в которой она будет использоваться.
На основе впервые проведенных в Сибири и на Дальнем Востоке долговременных испытаний кремниевой солнечной батареи мощностью
до 200 Вт обоснован комплекс доминирующих параметров, оказывающих влияние на работу СБ в реальных условиях. 3. Разработана мобильная станция мониторинга, позволяющая одновременно измерять метеорологические параметры атмосферы, вольтамперную характеристику и температуру поверхности СБ. Достоверность результатов.
Достоверность результатов работы обусловлена корректностью методик постановки эксперимента, проведением экспериментов с многократными наблюдениями. Методы исследования.
Для расчетов коэффициентов в математической модели использовался множественный корреляционный анализ, множественный линейный регрессионный анализ. При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики. Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на 12 Всероссийских и международных конференциях.
21st European PV Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden 4-8 September 2006;
22st European PV Solar Energy Conference and Exhibition, Milan 3-7 September 2007;
23st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain, 4-8 September 2008;
Modern Techniques and Technologies. 9th International Scientific and Practical Conference of students, Post-graduates and Young Scientists. 7-11 April, 2003 Tomsk, Russia;
2 Всероссийская конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии»;
Возобновляемая энергетика. Состояние проблемы перспективы
Международная конференция. СПб. 4-6 ноября. 2003 г.;
7. Кремний 2004. Тезисы докладов Совещания. Иркутск, 5-9 июля 2004;
8. III международный технологический конгресс «Военная техника,
вооружение и технологии двойного применения». Омск 7-10 июня 2005
г.;
Международный семинар «Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения 30 мая —1 июня. Санкт-Петербург. 2005г.;
Российская конференция «Демидовские чтения» Томск 2006.
13th International Scientific and Practical Conference of students, Postgraduates and Young Scientists. March, 2007, Tomsk, Russia;
XIV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008. Томск, ТПУ, 24-28 марта 2008 г.;
По теме диссертации сделано 16 публикаций, из них 3 — в изданиях, рекомендуемых ВАК. Получен патент на полезную модель №75516 "Мобильная станция мониторинга работы солнечной батареи". Практическая значимость
На основе одиннадцатилетнего анализа данных работы СБ в Сибири и Дальнем Востоке разработаны рекомендации по использованию СБ в этих регионах и предложена методика прогнозирования вырабатываемой мощности СБ. Рекомендации и методика используются при проектировании СЭУ для конечных пользователей в ОАО НИИПП.
Усовершенствован способ обработки и представления данных, получаемых от TOR станции, позволивший систематизировать информацию и оперативно представлять ее в глобальной сети Internet ().
Личный вклад автора
Автором самостоятельно разработана мобильная станция мониторинга
работы солнечной батареи, выполнены изготовление, сборка и настройка
основных узлов опытного образца. Самостоятельно проведены натурные
испытания в Томске и на Байкале, проведен статистический анализ данных. Автором самостоятельно получены уравнения регрессии, показывающие зависимость параметров батареи от различных климатических факторов. Разработана методика прогнозирования вырабатываемой мощности солнечной батареи.
На защиту выносятся следующие положения.
Методика расчета вырабатываемой мощности кремниевой СБ мощностью до 200 Вт.
Результаты исследования влияния климатических факторов на работу кремниевой СБ.
Рекомендации по использованию СБ в Сибири и на Дальнем Востоке.
Мобильный аппаратно - программный комплекс мониторинга работы СБ совместно с метеорологическими параметрами окружающей среды.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАНЫХ РАБОТ
Козлов А.В, Ковалевский В.К., Юрченко А.В. Результаты климатических испытаний солнечной батареи в натурных условиях г. Томска.// Светотехника №1 2005. 4 стр. стр 37-41
Белан Б.Д. Юрченко А.В. Козлов А.В, Пестунов Д.А.Влияние параметров атмосферы на энергетические характеристики кремниевой солнечной батареи.// Оптика атмосферы и океана. 2005. Т.18. №8 С.731-734.
Козлов А.В, Юрченко А.В. Мобильная станция мониторинга работы солнечных батарей в натурных условиях.// Датчик и системы №9, 2006. стр.64-67
Kozlov A.V, YurchenkoA.V., Kovalevskiy V.K. Analysis of the solar battery efficiency under the natural conditions in Tomsk.// Modern Techniques and Technologies. 9th International Scientific and Practical Conference of students,
Post-graduates and Young Scientists. Proceedings 7-11 April, 2003 Tomsk, Russia, p. 16-18
Козлов А.В, Белан Б.Д. Юрченко А.В.Результаты пятилетних климатических испытаний солнечной батареи в натурных условиях г.Томска.// 2003 Материалы 2 Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии». С.284-286.
Козлов А.В, Ковалевский В.К., Юрченко А.В. Результаты климатических испытаний солнечной батареи в натурных условиях г.Томска.// Возобновляемая энергетика. Состояние проблемы перспективы Международная конференция. СПб. 4-6 ноября. 2003 г.Материалы конференции, стр. 275-281
Козлов А.В, Ковалевский В.К., Юрченко А.В Многопараметровыи мониторинг работы солнечной батареи в условиях Сибири.// Кремний 2004. Тезисы докладов Совещания. Иркутск, 5-9 июля 2004. стр.48-49
Козлов А.В, Юрченко А.В Юрченко В.А Солнечные батареи как объект инновационного развития изделий двойного назначения.// Материалы III международного технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». Омск 7-10 июня 2005 г. Стр.331-332
Козлов А.В, Юрченко А.В. Проблемы мониторинга работы солнечных батарей в условиях Сибири и Дальнего Востока.// Материалы международного семинара «Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения 30 мая -1 июня. Санкт-Петербург. 2005 г. стр.64-67.
Ю.Козлов А.В, Юрченко А.В. Экологические аспекты использования солнечных батарей в Сибири. // Материалы Российской конференции «Демидовские чтения» Томск 2006. стр. 234-238
Kozlov A.V, YurchenkoA.V., The results of the long-term environmental tests of silicon solar batteries in Siberia.// Proceedings of 21st European PV Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden 4-8 September 2006. pp.2436-2439
Kozlov A.V, YurchenkoA.V. The long-term prediction of silicon solar batteries functioning for any geographical region. II Proceedings of 22st European PV Solar Energy Conference and Exhibition, Milan 3-7 September 2007 pp. 3019 - 3022
Kozlov A.V, YurchenkoA.V. The results of the long-term environmental tests of silicon solar batteries in Siberia Modern Techniques and Technologies. II Proceedings of 13l International Scientific and Practical Conference of students, Post-graduates and Young Scientists. Proceedings 26-30 March, ,2007, Tomsk, Russia, p. 20-22
Yurchenko A., Kozlov A, Volkov A. Climatic and hardware factors influencing the output performances of silicon modules in Siberia and the far east conditions II Proceedings of 23st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain, 4-8 September 2008. pp. 2989 - 2991.
Козлов А. В., Копылов B.B., Волков A.B., Юрченко А.В. Использование солнечных фотоэлектрических станций для электроснабжения автономных потребителей в условиях приморского края. // Материалы XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008. Томск, ТПУ, 24-28 марта 2008 г. 217 - 218 стр.
Козлов А.В., Юрченко А.В., Пестунов Д.А. Мобильная станция мониторинга работы солнечной батареи. Патент на полезную модель №75516. Опубликовано 10.08.2008. Бюллетень №22.
Вольт—амперная характеристика
Спектр солнечного излучения имеет довольно сложный вид, обусловленный поглощением света атмосферой Земли (рис. 1.9) [19,32]. Для качественных оценок примем, что солнце излучает, как абсолютно черное тело, с температурой 5800К [32]. Рис 1.9 1 - аппроксимация излучением абсолютно черного тела с температурой 5800 К; 2 — заатмосферная спектральная интенсивность солнечного излучения; 3 — спектральная интенсивность на уровне Земли с полосами поглощения паров воды и кислорода. Спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела (G0) выражается формулой Планка [19], определяющей спектральную плотность излучения с 1 см2 его поверхности: _8жЬс2 1 (1.4) С0(Я,Т)= я Чи По мере удаления от Солнца интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, и поэтому на Земле она определяется формулой: GC(A,T)=KC-G0(A,TC) (1.5) где ТС=5800К температура Солнца, Kc=2.17-10"5- квадрат отношения радиуса солнца к расстоянию от Солнца до Земли [19].
График функции GC(A,) нанесен на рис. 1.6 пунктиром и видно, что формула Планка достаточно точно описывает излучение Солнца.
Однако, если для заатмосферной интенсивности излучения спектр хорошо описывается формулой Планка, то с солнечной радиацией, доходящей до Земли, дело обстоит сложнее, поскольку солнечный свет, проходя через атмосферу Земли, ослабляется парами воды, озоном, С02, а также рассеивается на частицах пыли и аэрозолях [33]. В итоге, спектр, доходящий до поверхности Земли, сильно изрезан (рис 1.6 линия 3). Поэтому важны многофакторные и многолетние мониторинговые натурные испытания СБ.
Для получения качественных зависимостей тока короткого замыкания в последующих расчетах воспользуемся формулой Планка. Для подсчета точных значений необходимо пользоваться табличными данными, в которых учитываются атмосферные факторы, влияющие на солнечное излучение [50].
Появление фотоЭДС в р-n переходе ФЭП связано с нарушением равновесного распределения носителей заряда за счет оптической генерации электронно-дырочных пар [29,34]. Как отмечалось выше, для генерации электронно-дырочной пары необходима энергия больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника Её минус кТ. Энергия фотона связана с его частотой соотношением: c = h-v (1.6) Отсюда следует, что генерация электронно-дырочных пар возможна лишь при частоте монохроматического света большей, чем некоторая критическая частота: Поскольку при частотах меньших vK поглощение света резко уменьшается, то принято говорить, что эта частота соответствует краю поглощения. Наравне с критической частотой можно ввести критическую длину волны: Я fc-M (1.8) Довольно хорошую аппроксимацию этой зависимости можно получить, используя следующее соотношение [57,58]: or=/(hv-Eg)P (1.9) Где х и Р " некоторые параметры, характерные для данного полупроводника. Чтобы получить значения коэффициента поглощения в см"1 для Si следует подставить (3 =2, Eg = 1.12 эв, х=0-51 104см"1эв"2, для Ge [3=2, Её=0.67эв, х=0.83 104см"1эв 2, для GaAs р=1, Е8=1.35эв, х=Ю 104см"1эв"2. 1.5 Коэффициент отражения Потери на отражение от поверхности ФЭП обусловлены высокими значениями показателя преломления полупроводника. Коэффициент отражения от поверхности полупроводника при прямом падении лучей света связан с показателем преломления соотношением [35]: V-if R = (1.10) n+l Где 1 - показатель преломления воздуха , П] - показатель преломления полупроводника . Из выражения (1.10) следует, что при нормальном падении оптического излучения на поверхность полупроводниковой пластины с ni=3.5, коэффициент отражения достигнет значения 30%.
Эти потери можно снизить до 6-10 % применением просветляющих покрытий. В качестве таковых используются тонкие диэлектрические пленки, толщиной d и показателем преломления п2, которые выбираются из условий [36]: d_ 1 4п2 (1.Ц)
Поскольку эти условия выполняются лишь на одной длине волны из области спектральной чувствительности, то ясно, что на других длинах волн эффект просветления будет слабее. Для получения минимального отражения в более широком спектральном интервале используются многослойные - до нескольких десятков слоев просветляющие пленки. Из-за больших технологических трудностей и дороговизны технологии их получения, они не нашли применение в фотоэлектрических устройствах. Наиболее простым вариантом просветляющего покрытия является нанесение пленки SiCb, что приводит к увеличению тока короткого замыкания более чем на 21% [30]. Не менее эффективным методом снижения потерь на отражение является применение текстурированной поверхности. Она представляет собой покрытую пирамидами поверхность, которая создается с помощью анизотропного травления поверхности кремния. Такая поверхность позволяет уменьшить потери на отражение оптического излучения в 1.5 раза и увеличить длину поглощения длинноволнового излучения в объеме полупроводниковой структуры [37].
Комплекс параметров, влияющих на работу СБ
Преобразование энергии в солнечных элементах основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. В отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. На выходные параметры СБ будет влиять не только суммарная солнечная радиация, но и положение солнца на небосводе. Чем ближе положение солнце к зениту, тем больший ток будет вырабатывать СБ, но при этом будет иметь место и более сильный разогрев рабочей поверхности СБ.
При работе СБ без охлаждения в ней выделяется большое количество тепловой энергии и рабочая температура элемента возрастает. Значительное повышение температуры влияет на концентрацию носителей заряда, а также на процесс поглощения света, в результате чего изменяются выходные параметры СБ. Очевидно, что рабочая температура СБ будет зависеть от температуры окружающего воздуха.
Следует отметить влияние скорости ветра, которая может служить естественной конвекцией. Поэтому при разработке модели необходимо учитывать эту зависимость. Влажность воздуха также влияет на параметры СБ. Во первых, потому что одна из полос поглощения водяного пара лежит в спектральной области работы СБ[49]; во вторых, влажность может влиять на процессы теплообмена между СБ и окружающей средой.
Используя формулы (1.15) (1.16) (1.17), построим графики зависимости потоков электронов, дырок и суммарного потока от длины волны для AM 1.5, (мощность солнечного излучения на уровне земли приведены в приложении 1), а также для аппроксимации излучением абсолютно черного тела с температурой 5800 К.
Как видно из рисунка 2.10, теоретический ток короткого замыкания (формула 1.17) прямо пропорционален площади фигуры, ограниченной кривой суммарного потока. В случае применения функции Планка теоретический ток короткого замыкания оказывается на 10 - 15 % больше тока КЗ, при расчете которого использовался реально измеренный спектр. Таким образом, видно, что чем больше будет содержаться влаги в воздухе, тем сильнее будет происходить поглощение солнечной радиации. В изучении поглощения радиации водяным паром широко используется понятие осажденного слоя воды. Величина осажденного слоя воды, приходящаяся на 1 км, связана с абсолютной влажностью и давлением воздуха [33].
Напряжение холостого хода, генерируемое одной СБ, слегка изменяется при переходе от одной СБ к другой в одной партии, от одной фирмы изготовителя к другой. Эта величина не зависит от размеров СБ. Иначе обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера СБ, под которым подразумевается площадь его поверхности. Так как условия предыдущего эксперимента не позволили оценить влияния температуры, влажности, давления воздуха, а так же скорости ветра на ВАХ СБ, а именно на такие важные характеристики как напряжение холостого хода, максимальная мощность, для дальнейшего проведения исследований была разработана мобильная станция мониторинга работы СБ.
Полученные результаты позволяют сделать следующие основные выводы: 1. Работа солнечной батареи в Томском регионе наиболее эффективна в диапазоне времени с 10 до 19 часов и в течение месяцев март - сентябрь. В зимние месяцы эффективность использования СБ в 4-5 раз меньше, чем в летние месяцы. 2. Натурные испытания показали, что СБ безотказно и эффективно работает как при низких, так и при высоких температурах. Диапазон рабочих температур лежит в пределах -39,5 до +35 С. 3. В результате проведенного эксперимента была собрана база данных, состоящая из следующих параметров: метеопараметры, газовый и аэрозольный состав атмосферы, ток кз СБ. 4. Из 38 параметров, измеряемых TOR станцией и характеризующих состояние атмосферы, по данным испытаний выделены по величине коэффициента корреляции Ks 0.3, те, которые влияют на работу СБ в натурных условиях. Это солнечная радиация (Ks=0.9), влажность(-0.44), температура (0.3). ГЛАВА 3. Мобильная станция мониторинга работы СБ. Условия предыдущего эксперимента не позволили оценить влияние температуры на другие характеристики солнечной батареи — напряжение холостого хода, мощность, вольт - амперная характеристика. Поэтому в конце 2004 года была спроектирована и собрана специальная станция для испытания работы солнечной батареи.
Мобильная станция позволяет измерять вольт — амперную характеристику СБ, температуру рабочей поверхности СБ, температуру, влажность и давление воздуха. В марте 2005 года мобильная станция была установлена на испытания.
Технический результат — возможность оценки эффектности солнечной батареи в натурных условиях, а именно оценки коэффициента полезного действия, деградации тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, мощности, и вольт - амперной характеристики.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая мобильная станция мониторинга работы солнечной батареи содержит эквивалент нагрузки, блок управления, средства измерения параметров, учитывающих климатические факторы, а также, по меньшей мере, один датчик температуры рабочей поверхности солнечной батареи, средства для измерения суммарной солнечной радиации, при этом эквивалент нагрузки и все упомянутые измерительные средства соединены с блоком управления, а эквивалент нагрузки имеет вход для соединения его с исследуемой солнечной батареей.
В качестве средств для измерения параметров, учитывающих климатические факторы, мобильная станция содержит датчик температуры воздуха, датчик влажности воздуха и датчик давления воздуха, соединенные с блоком управления через аналоговый ключ.
Программа управления мобильной станцией
Таким образом, четные спаи окрашены в один цвет, а нечетные в другой. Термоэлементы группируются так, чтобы черные и белые поля чередовались в шахматном порядке. Граница окраски проходит посередине между спаями.
Сажа и магнезия обладают одинаковой поглощательной способностью в отношении длинноволновой радиации. Коротковолновую радиацию сажа поглощает в большей степени, чем магнезия, поэтому при действии на приемник коротковолновой радиации между спаями образуется разность температур и возникает термоток, сила которого характеризует солнечное излучение.
Программа управления мобильной станцией разработана на языке программирования Delphi. Функции программы заключаются в управлении и контроле процесса измерения и обработки и сохранения полученных данных. Программа имеет два режима работы: автоматический и ручной. В автоматическом режиме измерения проводятся без участия оператора в соответствии с введенными заранее настройками. Ручной режим предназначен для настройки и контроля правильности работы мобильной станции, а также для разовых измерений.
Программное обеспечение (ПО) разработано таким образом, чтобы измерения можно было проводить в любых временных интервалах, т.е. задается длительность измерения и частота измерения внутри промежутка времени, когда происходит измерение и время ожидания следующих измерений. После того, как данные одного измерения собраны, они усредняются и записываются в файл. В файле данных каждая строка соответствует одному измерению. Сама же строка содержит информацию о дате и времени измерения температуры, влажности, давления воздуха, а так же температуры СБ, токе КЗ, напряжении XX, рабочем напряжении, рабочем токе, угле наклона и азимуте солнца. В результате длительных измерений накапливается база данных.
Исследованию подвергалась кремниевая солнечная батарея (СБ) МС -14 -20 мощностью 20 Вт, изготовленная ФГУП НИИ ПП (г. Томск). Она была установлена под углом 45 градусов к горизонту и ориентирована на расположение солнца в два часа дня. СБ подключается к мобильной станции мониторинга, на ее поверхности закрепляется датчик температуры поверхности. В начале каждого часа начинаются измерения. Продолжительность измерений 10 минут. Затем собранные данные обрабатываются (усредняются) и записываются в файл.
Мобильная станция постоянно находится в состоянии ожидания команды от ПК. Получив команду, станция выполняет действие соответствующее принятой команде.
Измерения начинаются в начале каждого часа. Затем, с интервалом в одну минуту, регистрируется вольт-амперная характеристика солнечной батареи, ее температура, температура воздуха, вычисляется рабочая точка ВАХ. По истечению пятнадцати минут измерения прекращаются до начала следующего часа. В итоге после каждого цикла для каждого параметра набирается одномерный массив, состоящий из пятнадцати элементов. Далее массив усредняется, и полученный результат сохраняется в файл данных. Причем, результаты измерения, где ток короткого замыкания солнечной батареи меньше 0.1 А, не сохраняются. Такие значения тока короткого замыкания соответствуют сумеркам или ночной фазе суток и не представляют интереса для исследования.
Уменьшение напряжения холостого хода при повышении температуры связано с изменением собственной концентрации носителей заряда и ширины запрещенной зоны кристалла. Сужение ширины запрещенной зоны при повышении температуры вызывает увеличение обратного TOKa(Is). Резкое повышение обратного тока Is протекающего через р-п переход, приводит к уменьшению напряжения холостого хода и тем самым сводит к минимуму положительный эффект увеличения тока короткого замыкания. При повышении температуры коэффициент заполнения ВАХ падает, что объясняется увеличением обратного тока. Основной причиной уменьшения выходной мощности и КПД является уменьшение напряжения холостого хода и коэффициента заполнения ВАХ.
В период с 13 по 23 ноября 2007 г. были проведены испытания кремниевой солнечной батареи СБ 10-12 в трех вариантах ее размещения: 0, 45 и 60 к горизонту при одновременном контроле вольтамперной характеристики (ВАХ) СБ и солнечной радиации. Измерение характеристик СБ проводилось при помощи мобильной станции мониторинга солнечных батарей с пиранометром М-80, разработанной в Томском политехническом университете. Контроль солнечной радиации проводился сертифицированным пиранометром СМ-4 (Kipp & Zonnen). Для сравнения были проведены измерения ВАХ аморфной солнечной батареи производства Китай.
Построение эмпирической модели
Известно, что максимальная вырабатываемая мощность СБ: "work Uwork work? Vr J где Uwork - рабочее напряжение; Iwork " рабочий ток. Так как в большинстве случаев при производстве и последующих лабораторных испытаниях СБ определяются в основном ток короткого замыкания (1КЗ) и напряжения холостого хода (f/ ), то для построения модели от этих факторов можно записать: м/vork " кз кз і где К — коэффициент, учитывающий влияние климатических, аппаратных и технологических факторов.
В свою очередь напряжение холостого хода и ток короткого замыкания измеренные в лабораторных условиях, будут отличаться от реальных, в силу воздействия климатических особенностей того или иного региона.
Для определения факторов, влияющих на работу СБ, был проведен эксперимент в различных климатических условиях. В этом эксперименте контролировалась вольт — амперная характеристика СБ совместно с температурой, влажностью, давлением воздуха, а также скоростью ветра и приходящей суммарной солнечной радиацией на поверхность СБ.
Используя множественный корреляционный анализ[45], были рассчитаны парные коэффициенты корреляции, характеризующие тесноту связи между факторами, влияющими на работу СБ. Результаты расчета представлены в таблице 4.1. Матрица коэффициентов корреляции симметрична, поэтому ее нижняя половина не приводится. Таблица 4.1 парные коэффициенты корреляции.
Модель работы фотоэлектрических модулей. Т- температура воздуха; Н - влажность воздуха; Р - давление воздуха; S - скорость ветра; cos(H) косинус угла наклона солнца над горизонтом, cos(A) азимут солнца ТЬ - температура фотоэлектрических модулей; Sr - солнечная радиация; Uiabjlab -напряжение и ток фотоэлектрических модулей, измеренные в лабораторных условиях; W -мощность, вырабатываемая фотоэлектрическими модулями.
Для статистических методов построения эмпирических зависимостей очень важно, чтобы результаты наблюдений подчинялись нормальному закону распределения, поэтому проверка нормальности распределения — основное содержание предварительной обработки результатов наблюдений.
Для статистических методов построения эмпирических зависимостей очень важно, чтобы результаты наблюдений подчинялись нормальному закону распределения. Для проверки на нормально распределение необходимо выполнить следующие вычисления [41].
На температуру СБ влияет температура окружающего воздуха и приходящая суммарная солнечная радиация. Также на неё оказывает влияние относительная влажность воздуха и давление воздуха. С относительной влажностью, давлением и температурой воздуха тесно связана абсолютная влажность, которая показывает количество влаги, содержащийся в единице объема. Так как теплопроводность воды больше чем сухого воздуха то чем большее количество влаги будет находится в воздухе, тем быстрее происходит теплообмен между окружающим воздухом и поверхностью СБ. Для дальнейшего анализа возьмем разницу (АТВ03Д) ,(ASr) между реально измеренной температурой воздуха, солнечной радиацией и температурой и радиацией, которые были установлены при проведении лабораторных испытаний +25 С и 1000 Вт соответственно.
Температурное влияние СБ можно объяснить известной в теории формулой (1.3) Т.е., чем больше будет реальная температура СБ, тем меньше будет напряжение холостого хода.
Обычно при изготовлении СБ производитель указывает номинальное значение тока короткого замыкания, напряжения холостого хода измеренных в лабораторных условиях при стандартной температуре. В реальных условиях эти параметры будут отличаться. Поэтому для оценки влияния температуры СБ на напряжение холостого хода было взято не напряжение XX, а разница между измеренным напряжением в реальных условиях и лабораторных.
