Введение к работе
Актуальность проблемы
Преобразование солнечной энергии в электричество является наиболее перспективным и активно развиваемым направлением возобновляемой энергетики. Солнечная энергия широко доступна, обладает практически безграничными ресурсами, при ее фотоэлектрическом преобразовании не происходит загрязнения окружающей среды. Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую используется явление фотоэффекта в солнечных элементах (СЭ) на основе структуры с p-n переходом. На сегодняшний день максимальная эффективность некоторых типов полупроводниковых СЭ составляет более 30 %.
Единичные фотоэлементы генерируют ограниченную мощность. Для получения требуемых энергетических характеристик элементы объединяют последовательно между собой в модули и последовательно-параллельным способом в батареи. Мощность модулей и батарей складывается из выходных мощностей отдельных СЭ. В зависимости от технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей, существуют различные виды солнечных батарей. Наиболее широко распространены кристаллические фотоэлектрические преобразователи, изготовленные из моно- или мультикристаллического кремния, а также тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния, теллурида кадмия, арсенида галлия, фосфида индия и некоторых других соединений. На сегодняшний день доля кристаллических солнечных элементов составляет около 93 %, а тонкопленочных – около 7 %. Ведутся разработки по применению концентраторных и электрохимических солнечных элементов.
Первое практическое использование кремниевых солнечных батарей (СБ) для энергетических целей имело место в околоземном космическом пространстве. Солнечные батареи и сегодня остаются основным источником электроэнергии для космических аппаратов, поскольку необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Работа в космосе предъявляет к СЭ очень жесткие и подчас противоречивые требования. Сокращение сроков разработки и улучшение эксплуатационных характеристик систем электроснабжения космических аппаратов выдвигает на первый план необходимость создания эффективных методов проектирования подобных систем, в частности, предсказания и анализа работы солнечных батарей под действием разнообразных факторов окружающего пространства в статическом и динамическом режимах нагрузки.
Темпы роста и планы развития наземной солнечной энергетики, намечаемые промышленно развитыми станами, впечатляют масштабностью. К 2031 г. в мире планируется иметь совокупную установленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700 ГВт (для сравнения: в 2004 г. – 1256 МВт). Если сегодня фотовольтаика занимает менее 1 % в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2040 г. эта доля должна возрасти до 30 %. В России наземная солнечная энергетика на текущий момент является активно развивающейся отраслью. Имеются проекты по созданию фотоэлектрических солнечных электростанций, развиваются технологии производства СЭ и СБ.
Широкое внедрение солнечной энергетики в космосе и на земле ставит перед проектировщиками проблему оценки эффективности работы фотоэлектрических систем (ФЭС). Необходимо иметь возможность предсказать мощность солнечных батарей под действием разнообразных факторов окружающей среды, сравнить эффективность использования СБ из различных материалов, оценить поведение фотоэлектрических преобразователей в различных режимах работы. Для эффективного использования фотоэлектрических генераторов необходимо знать точку максимальной мощности и обеспечить такой режим, чтобы отдаваемая мощность при изменении окружающих условий была наибольшей. При отработке ФЭС используют имитаторы солнечных батарей, позволяющие воспроизводить характеристики СБ под влиянием разнообразных внешних воздействий.
Предсказание поведения и воспроизведение характеристик СЭ и СБ осуществляется с помощью моделирования. По сравнению с экспериментом, математическое моделирование предоставляет более быстрый, гибкий и дешевый способ отработки ФЭС. Для воспроизведения характеристик СЭ и СБ чаще всего используются аналитические модели, которые строятся на базе эквивалентной электрической схемы и основного уравнения СЭ. Работы по моделированию характеристик СБ активно ведутся за рубежом, результаты исследований рассматриваются на регулярно проводимых конференциях по фотовольтаике. Вследствие перспективности внедрения солнечной энергетики вопрос моделирования СБ интересует и российских исследователей.
Известные аналитические модели позволяют воспроизводить изменение выходных характеристик СЭ и СБ под действием различных температур и уровней освещенности, но не учитывают других значимых факторов. Не принимаются во внимание неидеальность СЭ, конструктивные особенности батарей, необходимость воспроизведения характеристик СБ из различных материалов. Вместе с тем, для использования предлагаемых моделей требуется проведение дополнительных экспериментов, позволяющих определить их входные параметры.
Целью диссертационного исследования явилось создание модели солнечных батарей для фотоэлектрических систем и имитаторов СБ на базе доступных данных производителей с учетом комплексных воздействий, приводящих к изменению выходных характеристик батарей. Для построения модели необходимо было решить ряд задач:
-
Разработать алгоритм моделирования солнечных батарей из различных полупроводниковых материалов.
-
Обеспечить воспроизведение моделью характеристик СБ под действием различных уровней освещенности, учитывая спектральные характеристики СЭ и воздействие света различного спектрального состава. Предусмотреть в модели возможность затенения солнечной батареи и оценить влияние потерь солнечного излучения на энергетические характеристики СБ.
-
Предусмотреть возможность моделирования вольтамперной (ВАХ) и вольтваттной (ВВХ) характеристик солнечных батарей в допустимом диапазоне рабочих температур.
-
Обеспечить воспроизведение в модели изменений ВАХ и ВВХ СБ под влиянием ионизирующего излучения и учет разброса технологических параметров и старения СЭ.
-
Предусмотреть в модели возможность оценки емкости СБ для воспроизведения динамических режимов в нагрузке батарей.
Объекты и методы исследований
Объектом исследований явились солнечные элементы и батареи из различных полупроводниковых материалов. Методологическую основу диссертационной работы составляют общенаучные методы познания, такие как научная абстракция, анализ и синтез, системный и структурный подходы, а также математическое моделирование. В исследовании применялись методы математического анализа, предметно-логического и структурно-функционального анализа, методы визуального программирования. В ходе работы использованы пакеты программ моделирования DesignLab и Matlab Simulink.
Научная новизна работы
1. Разработана оригинальная математическая модель солнечных батарей, позволяющая наглядно и обозримо провести моделирование набора свойств СБ. В моделировании предложен способ учета разброса технологических параметров СЭ и старения фотоэлементов. Модель обобщает конструктивные потери, а также потери падающего солнечного излучения. При проведении имитирования впервые имеется возможность оценки выходной емкости для анализа динамических режимов нагрузки СБ.
2. Выполнены расчеты и моделирование, позволяющие обеспечить воспроизведение характеристик СБ, собранных из различных комбинаций разнообразных полупроводниковых СЭ. Проведен систематический анализ конструктивных и технологических особенностей изготавливаемых солнечных батарей, результаты которого включены в созданную модель СБ.
3. Впервые показана возможность использования модели солнечных батарей в качестве основы построения интеллектуального имитатора СБ.
Полученные в процессе исследования результаты, разработанный теоретический и методологический аппарат вносят определенный вклад в изучение солнечных батарей, повышая эффективность их использования.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная модель адекватно воспроизводит характеристики СБ из разнообразных полупроводниковых материалов для различных уровней освещенности и различного спектрального состава солнечного излучения, а также влияние потерь солнечного излучения и затенения батарей на ВАХ и ВВХ СБ.
-
Созданная модель обеспечивает соответствие имитируемых выходных характеристик солнечных батарей в допустимом диапазоне рабочих температур, а также под влиянием ионизирующего излучения космического пространства характеристикам реальных СБ.
-
Модель адекватно воспроизводит ВАХ и ВВХ СБ с учетом разброса технологических параметров и старения батарей определенной конфигурации.
-
Созданная модель обеспечивает соответствие рассчитанной выходной емкости СБ реальным значениям.
Практическая значимость
В диссертационной работе показана полезность и целесообразность моделирования солнечных батарей для повышения эффективности их применения в наземных и космических ФЭС. На основе моделирования выполнено сравнение ВАХ и ВВХ целого ряда солнечных батарей, позволившее дать рекомендации по построению фотоэлектрических систем космического и наземного назначения. Представленные положения позволяют улучшить качественные результаты разработок при создании новых образцов и модернизации существующих ФЭС.
Содержащиеся в работе практические положения полезны при расчете энергетических параметров ФЭС, отработке алгоритмов захвата точки максимальной мощности, выработке конкретных предложений по применению СБ. Моделирование СБ позволяет согласовать динамические режимы работы преобразователей, входящих состав ФЭС. Реализованная модель является теоретической базой и подготовленным математическим инструментом для проведения исследований характеристик СБ и обработки их результатов.
Результаты выполненной работы используются в ООО НПО «Рубикон-Инновация», г. Смоленск, при построении интеллектуального имитатора солнечных батарей. Модель СБ в составе имитатора служит для воспроизведения ВАХ и ВВХ космических солнечных батарей из различных полупроводниковых материалов, оценки эффективности их применения, анализа деградации характеристик СБ с течением времени и определения площади проектируемых СБ для обеспечения требуемой мощности. Возможность моделирования выходной емкости солнечных батарей позволяет при помощи имитатора СБ выполнять исследования динамических режимов работы преобразующих и распределительных устройств системы электроснабжения. Имитатор, использующий универсальную модель солнечных батарей, позволяет проводить в автоматизированном режиме разносторонние испытания систем электропитания и бортовой аппаратуры космических аппаратов в ситуациях, максимально приближенных к реальным условиям.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались автором и обсуждались на 2-й и 6-й межрегиональных НТК студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика»; 12-й и 14-й МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»; X и XI Международных конференциях «Системы компьютерной математики и их приложения» СКМП-2009 и СКМП-2010; VIII-й и IX ВНТК «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ИТЭЭ-2009) и ВНТК «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (ИТЭЭ-2010); XIII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы» МКЭЭЭ-2010.
По теме диссертационного исследования получены диплом областного конкурса молодых ученых, приз Всероссийского смотра-конкурса «Эврика 2005», диплом регионального конкурса проектов для участия в IX Всероссийской выставке НТТМ-2009, приз регионального конкурса проектов и программ для участия в НТТМ-2010, диплом X Всероссийской выставки НТТМ-2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ (статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ - 1, статей в научных сборниках - 14).
Личный вклад автора заключается в участии в постановке целей и задач исследования, разработке алгоритмов моделирования, создании и тестировании модели. Автором предложена система управления интеллектуальным имитатором СБ. Обсуждение и анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные выводы по проведенной работе сформулированы автором.
