Содержание к диссертации
Введение
1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их надёжность 9
1.1. Основные типы солнечных элементов второго поколения 9
1.2. Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния 15
1.3. Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных элементов 20
Выводы по главе 24
Постановка задач исследования 25
2. Деградация солнечных элементов на основе аморфных полупроводниковых пленок 27
2.1. Эксперимент и обработка экспериментальных данных 27
2.2. Предпосылки для построения модели 41
2.3. Построение модели темновой деградации 44
2.3. Расчеты 49
Выводы по главе 2 56
3. Деградация поликристаллических солнечных элементов 58
Выводы по главе 3 81
4. Метод учета деградации солнечных элементов при расчёте их надёжности 82
4.1. Классификация солнечных батарей по их надёжности 82
4.2. Оценка продолжительности жизненного цикла солнечной электростанции 90
Выводы по главе 4 98
Заключение 99
Литература 102
- Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния
- Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных элементов
- Предпосылки для построения модели
- Классификация солнечных батарей по их надёжности
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Запасы минеральных ресурсов даже самых богатых стран не безграничны, поэтому вопрос создания источников энергии, альтернативных традиционным, весьма актуален. Современной науке известны несколько способов получения энергии c помощью возобновляемых источников, однако только потенциал солнечной энергетики может обеспечить наши текущие потребности в электроэнергии.
Солнечная энергетика сегодня вырабатывает примерно в 100 раз меньше чем традиционные источники. Тем не менее, рост производства солнечных батарей в последние шесть лет хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, в то время как рост традиционной энергетики линеен. Если темпы строительства солнечных электростанций останутся прежними, то уже к 2020 году производство электроэнергии солнечными батареями будет сравнимо с прогнозируемой выработкой традиционных электростанций. Проблема заключается в том, что увеличение мощностей с нуля до современных 90 ГВ потребовало больше 20 лет, при этом капитальные вложения (в пересчете на один год) можно признать несущественными по сравнению с другими сферами деятельности человека. Иначе выглядит задача за оставшиеся 10 лет построить в 100 раз больше мощностей. Даже с учетом снижающейся стоимости солнечных батарей, к 2020 году суммарно нужно будет вложить около 10 трлн. $. И эта сумма, которую придется изыскать только для покупки собственно солнечных батарей. С учетом транспортировки, монтажа, и стоимости сопутствующей электротехники придется потратить в несколько раз больше. Кроме того, солнечные батареи занимают много места. Для строительства придется выделить площадь примерно равную площади Великобритании (240000 кв. км), покупка земли также увеличит расходы. Очевидно, что такие траты не окажутся фатальными, если их распределить примерно до 2050 года. Тогда возникнет новая проблема: смогут ли те батареи, которые мы установили сейчас доработать до 2050 года без сбоев? Не произойдет ли так, что достроив к 2050 году необходимое количество мощностей, мы обнаружим, что половина наших солнечных электростанций уже вышла из строя, ведь производители сейчас гарантируют в среднем 20 лет работы, при этом до момента отказа батареи гарантированно потеряют 10-20% мощности.
В этой связи, для дальнейшего развития солнечной энергетики необходимо с одной стороны обеспечить высокую надежность солнечных батарей, которая позволит увеличить срок службы батареи и снизить затраты на производство солнечной энергии. С другой стороны необходимо внедрять энергоемкие тонкопленочные технологии, которые могли бы за сравнительно небольшое время обеспечить масштабное производство для покрытия больших площадей (например, технология roll to roll).
Цель работы
В связи с этим, основная цель работы заключалась в выявлении основных процессов, приводящих к деградации тонкопленочных солнечных элементов и батарей на их основе, их анализе, объяснении, и построении расчетных моделей, которые бы позволили оценить влияние конструктивно-технологических параметров и условий эксплуатации на деградацию солнечных элементов и длительность жизненного цикла солнечных электростанций.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
-
На основе анализа собственных и литературных данных выявить основные физические причины деградации тонкопленочных солнечных элементов и батарей, перспективных для использования в массовом производстве;
-
Выполнить соответствующие расчеты на основе известных и разработанных в рамках данной работы моделей, сравнить их с полученными в работе экспериментальными данными и данными, имеющиеся в литературе;
-
Предложить способ описания деградации, пригодный для оценки жизненного цикла солнечных электростанций уже на стадии их проектирования.
-
На основе результатов работы дать практические рекомендации проектировщикам при расчете жизненного цикла современных солнечных электростанций.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основе допущения об определяющем влиянии на деградацию СЭ межкристаллитных границ впервые создана деградационная модель поликристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Ее достоверность подтверждена соответствующими расчетами и известными экспериментальными результатами. При этом впервые показано, что происходящие при эксплуатации процессы на границах солнечных элементов могут приводить как к снижению, так и повышению эффективности СЭ
-
Впервые проведено сравнительное исследование деградации тонкопленочных солнечных элементов на основе a-Si:H, в темноте и на свету для солнечных элементов, изготовленных на гибкой металлической подложке. Результаты исследования позволили отвергнуть, высказанное в ряде работ предположение об определяющем влиянии на темновую деградацию окислительных процессов.
-
На основе полученных автором экспериментальных данных и допущения об определяющем влиянии на темновую деградацию метастабильных дефектов в обедненной области впервые создана деградационная модель солнечных элементов на основе a-Si:H в темноте. Ее достоверность подтверждена соответствующими расчетами и поставленными автором экспериментами.
Практическая значимость работы
Выявлены зависимости электрических параметров солнечных элементов на основе CdTe от состояния границ поликристаллической пленки.
Проведены экспериментальные исследования и расчеты темновой деградации солнечных батарей на основе a-Si:H.
Разработаны SPICE-библиотеки солнечного элемента с учетом деградационных процессов, исследованных в работе, для моделирования времени безотказной работы солнечных батарей.
Достоверность научных и практических результатов
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов определяется использованием современного высокоточного сертифицированного оборудования, воспроизводимость результатов эксперимента для большого количества образцов, а также подтверждаются соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Модель темновой деградации солнечных элементов на основе аморфного кремния, подтвержденная соответствующими экспериментальными и расчетными результатами.
-
Модель деградационных процессов в поликристаллических материалах.
-
SPICE – модель солнечного элемента с учетом деградации.
Личный вклад автора
Автору принадлежат идеи по постановке основных экспериментов и их реализация, включающая конструирование и создание измерительных установок, подготовку образцов к измерениям, сами измерения. Автору принадлежат так же основные идеи, положенные в основу предложенных в работе моделей численной оценки эксплуатационных потерь наземных солнечных электростанций как на стадии их проектирования, так и эксплуатации. Автором разработаны модели деградации тонкопленочных солнечных батарей на основе a-Si:H и CdTe, которые могут быть использованы при инженерном проектировании солнечных электростанций. Также автором составлены программы по автоматизации измерений и обработке их результатов.
Апробация работы
Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе “Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии”, читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700).
Результаты диссертации изложены в 8 работах (в том числе 3 из списка изданий, рекомендуемых ВАК), которые приведены в списке работ автора, опубликованных по теме диссертации, а также докладывались и обсуждались на перечисленных ниже конференциях и семинарах:
1. Международные научно-методические семинары “Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах” МНТОРЭС им. А.С. Попова в 2011 и 2012 гг.
-
XV, XVIII и XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Секция “Полупроводниковая электроника”, Москва, МЭИ, 2011 и 2013 г.
-
II всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы», Рязань, 2009
-
VIII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». Научно-образовательный центр нанотехнологий РАН, Санкт-Петербург, 2012.
-
Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, студентов и аспирантов НИУ МИЭТ, 2013
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, а также приложений. Изложена на 128 страницах, содержит 54 рисунков, 5 таблиц, 87 ссылки на литературные источники.
Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния
Используются следующие рабочие слои: Lime Glass – это дешёвое и ровное силикатное стекло, Mo образует слой MoSe2, который является хорошим омическим контактом, ZnO/ZnO:Al – двойной слой, который с одной стороны обеспечивает существование собственно p-n-перехода, с другой – пассивирует поверхность CuInGaSe. ZnO защищает СЭ от внешних повреждений, ZnO:Al выполняет роль прозрачного проводящего оксида.
Напыление слоя ZnO/ZnO:Al непосредственно на CuInGaSe создаёт большое количество дефектов на границе этих слоёв, однако если добавить между этими слоями CdS (т.н. «буферный» слой), то проблема будет решена.
Главное достоинство СЭ на основе CuInGaSe самый высокий коэффициент поглощения в видимой части спектра среди всех прочих материалов для СЭ, прямозонность полупроводника и, как следствие, высокий КПД при использовании тонкоплёночной технологии. СЭ на основе CuInGaSe по показателю КПД вплотную подобрались к эталонным СЭ на основе монокремния.
К недостаткам СЭ на основе CuInGaSe можно отнести большое количество разнообразных материалов, использующихся при производстве. Среди них присутствует Cd, опасный токсин, а также очень редкий и дорогой In.
В этой связи предложено перейти на составы на основе меди, олова, цинка, селена и серы (CTZSS). Такие составы относят уже к третьему поколению СЭ. 1.2. Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния
Эффект деградации под действием света характерен для всех СЭ первого поколения, однако для солнечных батарей второго поколения на основе a-Si:H подобный механизм деградации на сегодняшний день представляется главным. Рис. 1.6. Проводимость как функция времени до, во время, и после засветки (200 Вт/см2, 600-900 нм) [18] Одна из наиболее полных статей, посвящённых обзору современных представлений об эффекте Стеблера – Вронского, послужила основой для этого параграфа [17]. Первые упоминания о взаимосвязи деградации данного материала с падающим на него светом были опубликованы в статье [18]. Фамилии авторов дали название эффекту, поэтому сегодня, имея в виду деградацию СЭ на основе a-Si:H под действием света, говорят об эффекте Стеблера - Вронского. Суть эффекта заключается в том, что темновая проводимость и фотопроводимость слоя тонкоплёночного аморфного кремния, полученного методом осаждения из плазмы тлеющего разряда, существенно снижаются, если образец подвергался длительному воздействию света. В статье [18] было обнаружено, что процесс уменьшения проводимости является обратимым: при продолжительном отжиге ( 150C) проводимость образца можно было восстановить практически полностью.
На ранних стадиях развития теории эффекта Стеблера - Вронского было высказано предположение, что причиной подобного явления являлись слабые связи Si-Si: фотоиндуцированные носители заряда в конечном итоге рекомбинировали, выделившейся энергии оказывалось достаточно, чтобы разрушить эти слабые связи, атом водорода пассивировал связь одного из атомов, но связь второго атома оказывалась оборванной. Как следствие повышалось количество дефектов, и уровень Ферми смещался ближе к центру запрещённой зоны, проводимость материала уменьшалась [19].
В последующих работах [20], [21] было показано, что основными факторами, определяющими деградацию, вызванную светом, могут быть разупорядоченность решётки a-Si:H, поведение комплексов на основе водорода, поведение примесей прочих веществ.
В работе [22] приведены результаты экспериментов с образцами очень высокой чистоты. Только при концентрациях примеси кислорода свыше 1018 см-3 наблюдалась слабая корреляция концентрации кислорода с темпом деградации. Начиная с этой работы, все последующие исследователи занимались главным образов изучением энергетических состояний водорода и комплексов на его основе в аморфном кремнии. Также изучению процессов образования дефектов было посвящено значительное количество статей. Например, в работе [19] было показано, что концентрация дефектов Nd зависит от интенсивности освещения G и времени t следующим образом: Nd (t)=constG2 / 3t1/ 3 для случая, когда Nd много больше равновесной концентрации дефектов. Подобное предположение в целом объясняет сложности, возникшие у экспериментаторов при попытке найти взаимосвязь между G и t. В работе [23] была предпринята попытка описать кинетику зарождения дефектов с помощью экспоненты, которая выходит на насыщение при концентрациях дефектов между 5 1016 cм–3 и 2 1017 cм–3. В работе [24] было высказано предположение, что величина концентрации дефектов в области насыщения ограничивается естественным отжигом при температурах выше 80C, а при меньших температурах был предложен механизм «светового восстановления», который по сути являлся тем же отжигом, но с комбинированным воздействием тепла и света. До 2000 года считалось, что эффект Стеблера – Вронского, в целом, понят и осталось разобраться только с механизмами транспорта водорода в толще a-Si:H [19], но последние исследования ставят всё новые вопросы. Так было показано [17], что: связь концентрации водорода с темпом деградации не очевидна, эффект Стеблера – Вронского наблюдается даже при температуре 4,2К, при этом темп деградации мало отличается от аналогичного при 300К концентрация и тип дефектов, образованных светом, зависит, в том числе, и от условий облучения, облучение образцов a-Si:H вызывает не только образование дефектов, но и является причиной серьёзных структурных изменений в материале. Так, например, в работе [25] был продемонстрирован способ восстановление величин FF светом, интенсивность которого меньше, чем интенсивность первоначального источника света.
Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных элементов
Многочисленные исследования эффекта Стеблера-Вронского показали, что основное влияние на изменение параметров СЭ при их работе в условиях солнечного освещения оказывают метастабильные дефекты, возникающие в результате изменения конфигурации валентных связей атомов кремния, находящихся в различном атомарном окружении в пленках a-Si:H [17, 44 - 46]. Логично предположить, что подобный эффект может проявляться и в темноте в том случае, если структура пленки находится в неравновесном состоянии, возникающим при её получении, что характерно для большинства аморфных материалов. В этом случае должна иметь место некоторая корреляция между характером изменений параметров CЭ, вызванных эффектом Стеблера-Вронского в образце и характером изменений параметров этого образца, обусловленных его хранением в темноте. Действительно выполненная экспериментальная проверка не только показала существование темновой деградации СЭ на основе a-Si:H, но продемонстрировала наличие корреляции между изменениями свойств СЭ на свету, в результате эффекта Стеблера-Вронского, и в темноте, в результате деградационного эффекта, который ранее детально не исследовался, хоть и был отмечен в ряде работ [47 - 51].
Особого внимания заслуживают кривые, показанные на рис. 2.12. Несмотря на то, что изменения напряжения холостого хода для двух групп образцов близки по абсолютной величине, они разнонаправлены. Если после выдержки на свету Voc уменьшалось, то выдержка в темноте приводила к возрастанию напряжения холостого хода.
Как видно из графиков, образцы каждой из экспериментальных групп имеют близкую динамику, характеризующую быстрый и медленный процесс. Причем в обоих случаях постоянные времени, характеризующие скорость деградационных процессов близки друг к другу, как для быстрой, так и медленной ветвей. Т.е. скорость деградационных процессов попадает в один временной диапазон как для образцов находящихся на свету, так и для образцов, находящихся в темноте. Поскольку можно считать экспериментально и теоретически доказанным, что основную роль в формировании метастабильных дефектов играют электроны и дырки, генерируемые при световом возбуждении, то напрашивается предположение, что они же должны играть соответствующую роль и при темновой деградации, однако источник их возникновения в этом случае должен быть другой. Таким источником может быть равновесная тепловая генерация. Действительно, при образовании дефекта с участием электрона или дырки важен заряд носителя, а его предыстория не учитывается.
Близкие по порядку величины деградационные постоянные времени для освещенных образцов и образцов, находящихся в темноте позволяет сделать предположение, что в обоих случаях должны быть близки и концентрации электронов и дырок. Такое заключение может служить одной из подсказок при поисках физической модели, пригодной для описания темновой деградации. Действительно, концентрация фотовозбужденных носителей при солнечном освещении, может лежать в диапазоне 1016 – 1018 см-3. Такие концентрации электронов и дырок в темноте могут иметь место только в областях сильно легированных донорной или акцепторной примесью. Именно исследование возможной особой роли этих областей может служить исходной предпосылкой при поисках модели темновой деградации солнечных элементов на основе pin a-Si:H структурах. Любопытно, что если характеристики изменения тока короткого замыкания при выдержке образцов a-Si:H СЭ на свету и в темноте (рис. 2.11) примерно одинаковые, то это не справедливо в отношение Uхх (рис. 2.12). В этом случае, если при деградации на свету происходит монотонное уменьшение Uхх, то при деградации в темноте Uхх вначале возрастает, а затем начинает монотонно уменьшаться. Причем опять же постоянные времени “быстрой” и “медленной” деградации примерно соответствуют друг другу. Т.е. и в этом случае в основ деградационных процессов предположительно лежат одни и те же физические взаимодействия, однако кривая, показанная на рис. 2.12 сплошной линией (темновая деградация) отличается от кривой, показанной на рис. 2.12 пунктиром (световая деградация), тем, что она, скорее всего, является результатом двух разнонаправленных процессов, вызванных одним и тем же явлением, но по-разному воздействующему на различные области pin структуры. Это предположение так же может быть одной из возможных экспериментальных подсказок при поиске предпосылок для построения модели темновой деградации.
Динамика характеризующая световую деградацию в результате эффекта Стеблера Вронского подробна изучена экспериментально и ряд возможных моделей её объясняющих подробно рассмотрены в ряде работ [18, 52-54]. То, что динамика световой деградации эффекта Стеблера-Вронского аналогична динамике темновой деградации, свидетельствует в пользу того, что в обоих случаях первопричиной деградации являются близкие процессы. Близость постоянных времени релаксационных процессов позволяет предположить, что и тип дефектов в обоих случаях один и тот же.
Поскольку известно, что дефекты возникающие при эффекте Стеблера-Вронского исчезают при отжиге [18], и при этом происходит восстановление первоначального кпд, образцы обоих групп после их деградационной выдержки были выдержаны в течение 30 мин при температуре 170оС. Как и ожидалось, параметры солнечных элементов выдержанных на свету вернулись к значениям близким к первоначальным [51], однако, то, что аналогично вели себя и образцы, выдержанные в темноте, было для нас неожиданным, и это можно рассматривать как одно из доказательств того, что деградация в темноте не связана с окислением или другим химическим взаимодействием, которое должно усиливаться при нагреве.
Таким образом, эксперименты продемонстрировали, что изменения параметров в результате деградации в темноте аналогичны тем, которые имеют место на свету. В обоих случаях снижение эффективности преобразования происходит в результате снижения максимальной выходной мощности, плотности фототока, увеличения последовательного сопротивления СЭ.
Предпосылки для построения модели
Основная особенность СЭС заключается в том, что генерирующий электроэнергию солнечный элемент (СЭ) маломощный. При максимальной освещенности он способен отдавать в нагрузку мощность от одного до нескольких Вт, при напряжении, как правило, не превышающем 2В и токе от одного до нескольких ампер. СЭ устанавливаются в солнечной панели (СП). Одна СП может содержать до ста СЭ. В зависимости от мощности, СЭС должна содержать от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов СП. Организация такого большого количества объектов в единую сеть осуществляется по иерархической структуре с однотипными блоками разного уровня.
На первоначальном этапе (до момента реконструкции, связанной с выходом из строя отдельных СЭ) СЭС состоит из одинаковых СП, поэтому для общей мощности СЭС (MСЭС) можно записать: где Mсп – пиковая мощность СП, N – число панелей, Mи – мощность интерфейсные блоков, включающих инверторы, контроллеры и другое электронное оборудование, n – число интерфейсных блоков. СП в (1) рассматривается как начальный генерирующий элемент СЭС, отказ которого приводит к соответствующей потере мощности всей СЭС. Под отказом СП понимается выход эксплуатационных параметров панели за пределы, установленные при проектировании СЭС. Самыми ненадежными элементами СЭС являются интерфейсные боки, включающие инверторы и другие электронные блоки. Исключить из рассмотрения инверторы и другие элементы интерфейсного блока возможно, предположив, что каждый, не генерирующий электричество элемент имеет схему резервирования, которая обеспечивает ему работоспособность на протяжении всего жизненного цикла СЭС.
Структура параллельных соединений блоков СЭС -практически исключает каскадные отключения. Это позволяет при её анализе допустить, что все отказы носят случайный характер [62,63], и отказ одного структурного элемента не приводит к отказу каких либо других элементов системы, однако выходная мощность СЭС уменьшается пропорционально числу отказавших СП. Режим эксплуатации и климатические условия, которые оказывают чрезвычайно сильное влияние на надежность панели, учитываются производителем и должны быть заложены в её техническом паспорте и гарантийном сроке работы.
При сделанных допущениях для изменения мощности СЭС со временем можно записать: где M0– пиковая мощность электростанции в момент запуска, которая зависит от числа установленных панелей, f(t) –распределение плотности вероятности отказов панелей [62-64]. СЭС, по существу, является гигантской электронной схемой, а её основной элемент СП – интегральная схема, состоящая из полупроводниковых СЭ. При оценке вероятности отказов p(t) полупроводниковых приборов в качестве функции f(t) чаще всего используется экспоненциальное распределение [65,66]. Особенность этого распределения в том, что для него интенсивность отказов остается постоянной на любом интервале времени. Однако для СЭ и СП интенсивность отказов изменяется со временем. Объясняется это тем, что при производстве СЭ имеет место их искусственное старение путем выдержки при повышенных температурах и освещенностях, что позволяет отбраковать наиболее ненадежные устройства. Поэтому кривую вероятности отказов p(t) лучше описывает распределение Вейбулла[66]: ) где a– параметр, характеризующий время жизненного цикла, b –параметр, характеризующий изменение распределения со временем.
Выпускаемые и разрабатываемые в настоящее время солнечные модули условно можно разделить на группы в соответствии с их гарантийным сроком, декларируемым производителями (I, II, III и т.д.). При этом к первой группе относятся панели со сроком службы не менее десяти лет, ко второй группе не менее 20 лет к третьей 30 лет и т.д. Каждая из групп должна иметь подгруппы, различающиеся распределением интенсивности отказов во времени. Чем совершеннее конструкция и технология, тем меньше факторов влияющих на деградацию СЭ и компактнее во времени область интенсивных отказов. На этапе проектирования допустимо ограничиться использованием двух подгрупп: основной, в которой надежность определяется преимущественно технологией, и дополнительной (“а”), в которой деградация СЭ определяется непосредственно физическими процессами, связанными с преобразованием солнечного излучения. Для основной группы целесообразно в формуле (2) задать b=2а в подгруппе “a” b=6 [67]. Масштабный коэффициент a задается в соответствии с гарантийным сроком производителя.
В настоящее время все разрабатываемые и выпускаемые СЭ (соответственно и панели) можно разделить на три поколения [68]. Первое поколение – СЭ на основе монокристаллических и мультикристаллических пластин, второе – СЭ на основе тонких пленок поликристаллических и аморфных полупроводников, третье поколение – СЭ на основе новых физических принципов и технологий, таких как, использование наночастиц, сверхрешеток, очувствления красителями и т.п. [68] Работы в области СЭ третьего поколения обещают создание эффективных СЭ, которые в перспективе должны значительно увеличить КПД преобразования солнечного излучения и повысить производительность технологического процесса.
На рис. 4.1 показано, построенное по данным National Renewable Laboratory USA, изменение по годам рекордных значений КПД солнечных элементов созданных по различным технологиям [67]. Приведенные на рисунке результаты могут помочь при разбиении панелей с различными типами СЭ на группы надежности.
Надежных данных о времени жизненного цикла солнечных панелей в земных условиях для различных технологий и различных производителей на данный момент нет. Объясняется это тем, что строительство СЭС началось сравнительно недавно, и данные анализа результатов мониторинга с эксплуатируемых объектов, прежде всего, поступают производителям панелей, чтобы устранить замеченные дефекты. Тем не менее, возможно сделать некоторое предварительное разбиение СЭ и СП по группам на основе имеющихся в литературе публикаций, а также учета типа панелей, используемых для долгосрочных проектов.
Классификация солнечных батарей по их надёжности
Далее было проведено моделирование простой солнечной станции. При создании макета станции требовалось получить заданную мощность (от 1 до 100МВт) при использовании типового модуля (60 монокристаллических пластин, спаянных в виде двух лент по 30 элементов), мощностью 150 Вт (15 В, 10 А). При этом максимальное напряжение по постоянному току не должно превышать 1кВ (использовались требования правил эксплуатации энергоустановок в Евросоюзе).
Для того чтобы удовлетворить этим требованиям, солнечные модули соединялись последовательно до получения максимально возможного напряжения, недостающая мощность вырабатывалась аналогичными цепочками модулей, соединёнными параллельно, за счёт вырабатываемого тока.
Безотказная работа модулей определяется надёжностью самих солнечные ячеек, а также паяных соединений, обеспечивающих электрический контакт между ячейками. При соединении модулей в цепочки необходимо использовать штекеры, поскольку внешние выводы, в отличие от паяных соединений, находятся в непосредственном контакте с окружающей средой. Кроме того, каждая такая цепочка снабжается инвертором, который необходим для преобразования постоянного тока в переменный. По этим причинам безотказная работа солнечной электростанции также зависит от надёжности штекеров и инверторов.
При расчётах надёжности предполагалось, что все необходимые электротехнические соединения и оборудование (паяные соединения, штекеры и инверторы) подчиняются экспоненциальному закону распределения. То есть, их отказы рассматривались только как внезапные, интенсивность которых не меняется со временем.
В этом случае вероятность безотказной работы последовательно соединённых элементов PS и параллельно соединённых элементов Pp рассчитывается по формулам [41]: Ps (t) = Pn (t) , (4.10) где n – число одинаковых элементов, соединённых последовательно. где m – число одинаковых элементов, соединённых параллельно. Средние время наработки на отказ для каждого элемента модели были выбраны близкими к реальным [60]: паяное соединение - 105 [ч] ( 10 лет), штекер и инвертор – 5 104 [ч] ( 5 лет).
На рис. 4.6 и рис. 4.7 представлены результаты моделирования. На этих графиках можно заметить, что благодаря большому количеству включённых параллельно цепочек модулей, вероятность безотказной работы солнечной электростанции, близкая к 100%, имеет место на более длительном промежутке времени. Затем наблюдается стремительное снижение вероятности безотказной работы, пропорциональное количеству элементов. Подобное поведение системы напоминает интегральные схемы с резервированием.
Одна из особенностей солнечных электростанций – требование большого количества свободной площади. При этом возможности транспорта ограничивают размер одного фотоэлектрического модуля. Как следствие для постройки электростанции мощностью, например, в 100 МВт из стандартных модулей мощностью, скажем, 100 Вт необходимо сформировать миллион соединений. Кроме того, каждый солнечный модуль также состоит из 20-60 солнечных элементов, которые тоже необходимо соединить. Потребность современных солнечных электростанций в большом количестве соединений напоминает аналогичную потребность электроники при переходе от навесного монтажа к интегральным технологиям. Рис.4.6. Вероятность безотказной работы стандартного модуля и солнечных электростанций Вероятность безотказной работы солнечных электростанций разной мощности В качестве мер для повышения надёжности можно предложить использование «умных модулей» - устройств, которые по своему прямому назначению выполняют ту же функцию, что и солнечные модули, однако они снабжены дополнительной электроникой, которая обеспечивает закорачивание вышедших из строя элементов. Подобная система необходима, поскольку один вышедший из строя элемент отключает всю цепочку модулей. Безусловно, на крупных электростанциях большое количество параллельных соединений позволяет отсрочить момент выхода из строя всей электростанции, но потери мощности будут накапливаться. Подобные системы сейчас только разрабатываются в разрезе обеспечения работы батареи в условиях частичного затенения (например [61]), поскольку плохо освещённая солнечный элемент оказывается фактически не работающей. Подобные разработки могут оказаться полезными и для обеспечения надёжности солнечных батарей. Выводы по главе 4
В данной главе было показано, что с развитием солнечной энергетики и ростом мощностей солнечных электростанций, их конструкция должна определяться не только целевыми энергетическими показателями, но и надёжностью конструкции этой электростанции. Также показано, что даже элементы, которые сами по себе имеют высокие показатели средней наработки на отказ, при больших количествах используемых элементов не обеспечивают высокие показатели надёжности. В главе дана рекомендация по внедрению «умных» модулей, способных выявлять вышедшие из строя элементы и восстанавливать нормальную работу солнечных электростанций. Заключение
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов определяется использованием современного высокоточного сертифицированного оборудования, воспроизводимость результатов эксперимента для большого количества образцов, а также подтверждаются соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных.
