Регистрация / Вход
Прислать материал

Повышение энергоэффективности концентраторных фотоэлектрических модулей для солнечных батарей

Докладчик: Когновицкий Сергей Олегович

Должность: начальник Производственно-технологического комплекса

Цель проекта:
1. Увеличение радиационной стойкости и повышение эффективности фотоэлектрического преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторными фотоэлектрическими модулями до значений, соответствующих или превосходящих лучшие мировые результаты, за счёт применения концентраторов солнечного излучения, оптимизации конструкций полупроводниковой наногетероструктуры и чипа ФЭП, оптимизации режимов ростовой МОС-гидридной технологии и постростовой технологии, а также совершенствования конструкции концентраторного фотоэлектрического модуля, приводящей к снижению оптических потерь. 2. Поиск технологических и конструкторских решений по развитию нового направления солнечной электроэнергетики - высокоэффективных солнечных батарей наземного и космического применения на основе концентраторных фотоэлектрических модулей с наногетероструктурными фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), линзовыми концентраторами излучения. Снижение себестоимости и увеличение срока эксплуатации концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей на их основе до 20 лет за счёт новых конструктивно-технологических решений, что должно способствовать уменьшению стоимости вырабатываемого ими электричества и обеспечить конкурентоспособность их применения по сравнению с другими видами солнечных батарей.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных планируемых результатов:
- Технологии выращивания и постростовой обработки наногетероструктур ФЭП каскадного типа на основе полупроводников А3В5.
- Конструкции и технологии изготовления линзовых концентраторных и фотоприёмных панелей.
- Технологии сборки концентраторных фотоэлектрических модулей и сборки солнечных батарей на основе концентраторных фотоэлектрических модулей, размещения и юстировки больших массивов концентраторных фотоэлектрических модулей;
- Конструкции и технологии компонентов концентраторной фотоэлектрической установки со слежением за Солнцем (механических поддерживающих устройств системы слежения за Солнцем, обеспечивающих повышенную стойкость к ветровым воздействиям; электронных компонентов системы слежения за Солнцем с подавлением чувствительности к свету, исходящему не от солнечного диска; интегрального электромеханического блока приводов вращения и датчиков положения платформы для системы слежения за Солнцем).
- Математическая модель для универсальной всеширотной программы работы концентраторной фотоэлектрической установки с системой слежения за Солнцем; программа управления системой слежения за Солнцем.
- Разработанные радиационно-стойкие фотоэлектрические преобразователи, оптимизированные для работы в условиях Луны и Марса, а также околомарсианских и более отдалённых от Солнца орбит, характеризующихся меньшей (на 30-50ºС) рабочей температурой солнечных батарей по сравнению с рабочей температурой в околоземном космическом пространстве; образцы фотоэлектрических преобразователей (для космических солнечных батарей) с КПД = 35-38% в условиях околоземного космического пространства (АМ0); образцы «наземных» ФЭП с КПД = 43-45% при 500-1200 «солнцах».
- Образец концентраторного фотоэлектрического модуля с энергосъемом 350-400 Вт/м2 в «космических» условиях освещения АМ0 (1367 Вт/м2); образец «наземного» концентраторного фотоэлектрического модуля с КПД более 35% в «наземных» условиях освещения АМ 1.5 (1000 Вт/м2).
- Образец системы слежения за Солнцем для концентраторной фотоэлектрической установки.
- Лабораторный импульсный измерительный комплекс для исследования фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции на основе результатов ПНИ с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

2. Основные характеристики планируемых результатов:
Концентраторные фотоэлектрические установки со слежением за Солнцем в своём составе должны иметь:
- комплект концентраторных фотоэлектрических модулей (КФЭМ) с устройством электрической коммутации, объединённых в солнечную батарею;
- систему слежения за Солнцем (трекер).
КФЭМ должны включать:
- «наземные» каскадные наногетероструктурные фотоэлектрические преобразователи с площадью поверхности не более 0,25 см2;
- линзовую панель, представляющую собой массив френелевских линз с размерами отдельной линзы не более 100 см2;
- фотоприёмную панель с массивами ФЭП и пассивных теплоотводов;
- каркас фотоэлектрического модуля, образованный четырьмя боковыми стенками модуля.
Трекер системы слежения за Солнцем для наземной фотоэлектрической установки должен состоять их следующих основных функциональных частей:
- несущая платформа для монтажа на ней фотоэлектрических модулей;
- двухосевая механическая система вращения платформы;
- электромеханические приводы азимутального и зенитального вращения платформы;
- датчики пространственного углового положения платформы;
- оптоэлектронный датчик ориентации на солнечный диск;
- микропроцессорный блок управления трекером.
Управляющий микропроцессор должен быть запрограммирован на обеспечение начальной ориентации концентраторных модулей на текущее положение солнечного диска в течение светового дня с учётом координат размещения фотоэлектрической установки. После перехода на управление по оптоэлектронному датчику ориентации на солнечный диск точность слежения за положением Солнца должна быть не хуже 0,1 угл. градуса по каждой из осей вращения (азимутальной и зенитальной).
Наногетероструктурные каскадные фотоэлектрические преобразователи предназначены для непосредственного преобразования световой энергии Солнца в электрическую энергию постоянного тока в составе фотоэлектрических модулей.
Концентраторные фотоэлектрические модули (КФЭМ) применяется для фотоэлектрического преобразования солнечного излучения, падающего по нормали к поверхности модуля. Предназначены для объединения в единую электрогенерирующую конструкцию массива чипов ФЭП и линзовой панели с массивом френелевских концентраторов солнечного излучения. Используются в качестве законченных с конструктивной точки зрения электрогенерирующих элементов в составе солнечных батарей. Френелевские концентраторы солнечного излучения обеспечивают фокусирование солнечного излучения на поверхность ФЭП. Конструкция КФЭМ должна обеспечивать возможность длительной работы в условиях воздействия факторов окружающей среды или космического пространства. В случае «наземных» КФЭМ, она должна предусматривать уравнивание давления воздуха внутри модуля путем воздухообмена с окружающей средой через вентиляционные фильтры, обеспечивающие защиту внутреннего пространства КФЭМ от пыли и атмосферных осадков.
Системы слежения за положением Солнца применяются для механического объединения отдельных КФЭМ в солнечную батарею на несущей раме трекера и ориентирования солнечной батареи в направлении на солнечный диск в течение солнечного дня. Механические силовые приводы в составе трекера предназначены для обеспечения вращения несущей рамы с закреплёнными на ней фотоэлектрическими модулями для ориентирования на Солнце.
Лабораторный импульсный измерительный комплекс предназначен для измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых фотоэлектрических модулей для солнечных батарей при освещении излучением, соответствующим спектру АМ0.
Разрабатываемая математическая модель предназначена для симулирования и анализа работы концентраторной фотоэлектрической установки с системой слежения за Солнцем под управлением универсальной всеширотной программы.
КПД «наземных» фотоэлектрических преобразователей – в диапазоне 43-45% (АМ1.5, 500-1200 «солнц»).
Работоспособность «наземных» фотоэлектрических преобразователей в температурном диапазоне от минус 60 до плюс 100 градусов по Цельсию (здесь под температурой понимается средняя температура фотоэлектрического преобразователя).
КПД фотоэлектрического преобразования «наземного» концентраторного фотоэлектрического модуля - более 35% в «наземных» условиях АМ 1.5 (1000 Вт/м2).
КПД космических каскадных фотоэлектрических преобразователей - в диапазоне 35-38% (АМ0, 10-100 «солнц»).
Удельный энергосъем «космическими» концентраторными фотоэлектрическими модулями - в диапазоне 350 - 400 Вт/м2 (в «космических» условиях освещения АМ0 (1367 Вт/м2)).
Срок службы (прогнозный) космических концентраторных фотоэлектрических модулей - 20 лет на геосинхронной орбите.
Для концентраторных фотоэлектрических модулей космического назначения должны быть получены следующие параметры:
- средний коэффициент концентрации излучения линзами Френеля на поверхности ФЭП - более 5;
- средняя оптическая эффективность концентраторов – не менее 0,9;
- теплоотводящее основание генерирующей части фотоэлектрических модулей должно обеспечивать рабочую температуру ФЭП не более 80°С;
- изменение уровня мощности фотоэлектрических модулей - не более 10% от максимального значения при углах разориентации ± 3 градуса по поперечной оси и ± 22 по продольной оси линзовых концентраторов космического назначения.

3. Пути и способы достижения заявленных результатов и их новизна
Как уже было отмечено, солнечные энергоустановки с концентраторами излучения являются более сложными устройствами по сравнению с теми, где массивы обычных плоских модулей на основе кремниевых или тонкопленочных фотопреобразователей размещаются на свободных территориях или крышах зданий для генерации необходимых количеств электроэнергии. Однако именно благодаря такой «сложности» возникает возможность широкого применения в энергоустановках высокоэффективных наногетероструктурных солнечных элементов (СЭ) на основе полупроводников А3В5, которые, в свою очередь, тоже можно охарактеризовать как устройства с наиболее сложной поперечной структурой по сравнению со всеми остальными приборами полупроводниковой электроники. Получившие исключительное применение в космической энергетике и планируемые к применению в наземных энергоустановках трехкаскадные СЭ на основе соединений GaInP/GaInAs/Ge в реальности включают в себя 25÷30 субмикронных и наноразмерных эпитаксиальных слоев. Здесь три фотоактивных р-п перехода соединены последовательно через два туннельных р-п перехода. Структура пяти-шестикаскадного СЭ, по-видимому, будет образована примерно пятьюдесятью слоями, так что весь необходимый набор основных и легирующих элементов будет охватывать большинство из тех, которые расположены в группах периодической системы Д.И. Менделеева от второй до шестой. Несмотря на то, что в своей основе структуры СЭ для космических и наземных применений весьма схожи по материалам и набору технологических операций, их оптимизация должна учитывать условия реального функционирования. Для космических СЭ набор толщин в структуре и состав слоев должны соответствовать получению максимального КПД для солнечного спектра с нулевой воздушной массой (АМ 0) при работе на плотностях фототока 10÷20 мА/см2, в то время как для наземных концентраторных СЭ спектр преобразуемого излучения деформирован при прохождении атмосферы под различными углами, а плотность фототока на три порядка выше. Разработка и оптимизация многокаскадных СЭ с повышенной эффективностью для применения в наземных и космических солнечных энергоустановках с концентраторами излучения составляет одну из основных научно-технических задач по проекту. Метод выращивания наногетероструктур – газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОС-гидридный метод).
Другая задача связана с разработкой солнечного концентраторного модуля. Эту задачу можно охарактеризовать как комплексную. Должны учитываться требования по оптической эффективности концентраторов излучения, способности СЭ генерировать и отводить большой фототок, не теряя в значениях КПД, способности конструктивных компонентов модуля отводить и рассеивать остаточное тепло. Важную роль здесь играет выбор конструктивного облика модуля. Например, одну и ту же высокую кратность концентрирования солнечного излучения можно получить, используя концентратор с линейными размерами 20х20 см, фокусирующий свет на СЭ размерами 1х1 см, либо концентратор с размерами 2х2 см и СЭ 1х1 мм. Недостатком в первом случае будет необходимость отвода большого количества тепла и большого абсолютного фототока, а также большая конструктивная толщина модуля, задаваемая фокусным расстоянием концентратора. Во втором случае «малоразмерных» единичных модулей эти недостатки в значительной степени снимаются, но требуется высокая точность взаимного позиционирования большого количества СЭ и концентраторов. При этом линзовые концентраторы могут быть объединены в линзовую панель.
Важнейшим компонентом концентраторного модуля является непосредственно концентратор. В мировой практике в основном используются линзовые концентраторы, изготовленные из прозрачного акрилового материала методом горячей штамповки. Акрил прозрачен в видимой области, но имеет полосы поглощения в ближней ИК области спектра. Для уменьшения расхода материалов акриловые линзы изготавливаются с профилем Френеля. Такие планаризованные концентраторы при толщине порядка 3 мм сравнительно дешевы, но имеют ряд недостатков. Гладкая наружная поверхность линз не является стойкой к абразивному воздействию, материал линз подвержен ультрафиолетовому старению, а внутренняя поверхность с микропризмами со временем покрывается микротрещинами. В качестве альтернативного материала для изготовления линз Френеля может быть применена прозрачная силиконовая резина, что и предлагается к разработке в рамках настоящего проекта. Механическую основу линзовой панели в этом случае может составлять лист силикатного стекла. Стекло является дешевым высокопрозрачным материалом, стойким к абразивному воздействию. На внутренней стороне стекла располагается тонкий слой силикона, в котором формуется профиль френелевских линз. Силикон представляет собой резинообразную прозрачную субстанцию, инертную к парам воды и стойкую в отношении ультрафиолетового старения, а также высоких и низких температур. Температурные перепады не должны приводить к отслаиванию силиконовой пленки от стекла благодаря эластичности силикона. Полимеризация силиконового компаунда может происходить при температурах, близких к комнатной, и не требует оборудования, создающего давление. Расход силикона в пленочном исполнении будет минимальным, что обеспечит дешевизну линзовых панелей.
В модуле, имеющем фронтальную панель линзовых концентраторов, солнечные элементы также следует объединить в фотоприемную панель, отстоящую от линзовой панели на расстоянии, равном фокусному расстоянию линз. Так формируется концентраторный модуль панельного типа с «малоразмерными» единичными «субмодулями». Материал фотоприемной панели должен иметь теплопроводность, удовлетворяющую условию достаточного отвода тепла от СЭ. Также этот материал должен быть согласован по коэффициенту термического расширения с материалами основных конструктивных компонентов модуля. В рамках настоящего проекта нами предлагается в качестве основного конструкционного материала фотоприемной панели использовать обычное листовое силикатное стекло, такое же, как и для фронтальной линзовой панели. Теплоразводящие пластины для монтажа СЭ предлагается изготавливать из мягкой листовой стали. Для минимизации роли стекла в процессах теплопередачи теплоразводящие пластины с СЭ могут располагаться на внешней стороне тыльной стеклянной пластины модуля. При этом появляется возможность использования этой стеклянной пластины не только в качестве механической основы фотоприемной панели, но и в качестве интегрального защитного окна для всех СЭ в модуле. В рамках настоящего проекта осуществляется проработка оптимальных с точки зрения оптики, теплотехники и совместимости материалов вариантов концентраторных модулей, а также создание базовых технологий, которые при надлежащих капиталовложениях можно было бы применить при крупномасштабном производстве концентраторных солнечных энергоустановок нового поколения.
Изготовленные концентраторные модули должны быть надежно закреплены на раме системы слежения за Солнцем. Конструкция системы должна быть весьма жесткой, обеспечивающей точность слежения не менее 0,1 углового градуса по двум координатам, способной противостоять значительным ветровым нагрузкам в рабочем режиме и экстремальным нагрузкам в режиме ожидания. В рамках настоящего проекта осуществляется проработка системы слежения за Солнцем для концентраторных солнечных энергоустановок, обладающей новыми существенными особенностями. Первая особенность состоит в оригинальном расположении модулей на раме следящей системы. Предлагается их размещать рядами в виде лестницы с расстоянием между рядами, примерно равным высоте модулей в каждом ряду. При этом рама будет иметь два крайних положения под углами +/- 45 градусов к горизонту. Положение рамы как целого в дневные часы работы будет почти горизонтальным, что снизит ветровую нагрузку примерно в три раза по сравнению с обычной рамой в виде плоскости, наклоненной под углом порядка 45 градусов. Жесткость рамы в виде лестницы также может быть существенно увеличена. Далее, есть решение, при котором два привода слежения можно поместить в один корпус, где также будут размещаться и датчики положения рамы. Такое интегрированное решение позволило бы в перспективе организовать производство наиболее высокотехнологичной электромеханической части систем слежения отдельно от остальных чисто механических поддерживающих компонентов. Введение определенным образом сконструированной механической развязки между осями вращения рамы и датчиками положения рамы позволит создать систему слежения за Солнцем, работоспособную в северном и южном полушарии, а также в экваториальном поясе, где солнечный диск может двигаться в обеих полусферах, пересекая экваториальную плоскость в некоторые моменты времени. Наконец, имеется необходимость разработки такого датчика положения Солнца, который был бы малочувствителен к излучениям, исходящим не от солнечного диска. В этом датчике наиболее целесообразно использовать фотопреобразователи каскадного типа, аналогичные «силовым» солнечным элементам в концентраторных фотоэлектрических модулях. При этом фототок во внешней цепи формируется лишь при наличии всех (по числу каскадов) компонентов спектра солнечного излучения. Таким образом, предлагаемые к разработке существенные особенности системы слежения за Солнцем для концентраторных солнечных энергоустановок нового поколения позволят реализовать интеллектуальный алгоритм управления этими энергоустановками с возможностью получения максимально возможных уровней электрогенерации в различных регионах земного шара. Важность данной разработки в рамках проекта весьма велика, учитывая то обстоятельство, что вклад стоимости изготовления и материалов для систем слежения в стоимость концентраторных солнечных энергоустановок оценивается примерно в 50%.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. В ходе выполнения последующей ОКР, использующей результаты ПНИ, должны быть созданы опытные образцы концентраторных фотоэнергоустановок и проведена их опытная эксплуатация в различных климатических условиях.
В итоге будут разработаны конструкции и опытные технологии изготовления высокоэффективных каскадных солнечных элементов нового поколения на основе многослойных полупроводниковых структур с эффективностью более 45%, концентраторных фотоэлектрических модулей, фотоэнергоустановок со слежением за Солнцем.
2. Основным потребителем результатов ПНИ является индустриальный партнёр – Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (ОАО «ИСС»). Результаты в части солнечных элементов могут быть востребованы ОАО «НПП «Квант» (г. Москва), ОАО «Сатурн» (г. Краснодар). В технологиях изготовления концентраторных фотоэлектрических модулей и фотоэнергоустановок со слежением за Солнцем заинтересовано ООО «Солнечный поток» (Санкт-Петербург).
3. С помощью институтов развития, таких как Российский фонд технологического развития, Внешэкономбанк и его дочерние структуры, привлекая дополнительные частные инвестиции, с использованием полученных результатов НИОКР предполагается создание нового производства концентраторных фотоэлектрических модулей и фотоэнергоустановок со слежением за Солнцем. В зависимости от условий предоставления инвестиций, мощность производства составит от 1 до 100 МВт/год установленной мощности выпускаемых фотоэнергоустановок.

Текущие результаты проекта:
- Выполнен аналитический обзор литературы по теме ПНИ.
- Разработаны базовые принципы конструирования и новых технологий изготовления концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей (энергоустановок) на их основе, в том числе их компонентов - солнечных элементов, линз Френеля, элементов вторичной концентрирующей оптики.
- Теоретически исследованы пути создания концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей нового поколения на их основе. В том числе:
- Теоретически исследованы пути повышения эффективности солнечных элементов для концентраторных фотоэлектрических модулей:
- определён предельный КПД фотоэлектрического преобразования монохроматического излучения в однопереходных фотоэлементах;
- разработан структурный дизайн многопереходных (каскадных) солнечных элементов для повышения эффективности преобразования солнечного излучения;
- определено влияние конструкции контактной сетки на КПД солнечных элементов для концентраторных фотоэлектрических модулей.
- Теоретически исследованы пути создания линз Френеля для концентраторных модулей.
- Теоретически исследованы тепловые режимы работы концентраторных фотоэлектрических модулей.
- Осуществлены теоретические и экспериментальные исследование поведения температуры р-п перехода в солнечных элементах в концентраторных фотоэлектрических модулях.
- Теоретически исследованы пути создания солнечных батарей и электростанций на основе концентраторных фотоэлектрических модулей, в том числе изучено влияние спектрального состава солнечного излучения на КПД.
- Разработан и создан лабораторный импульсный измерительный комплекс для исследования фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей. Оформлена эскизная конструкторская документация на лабораторный импульсный измерительный комплекс.
- Описаны методики для выполнения экспериментальных исследований с помощью лабораторного импульсного измерительного комплекса для измерений фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей.
- Проведены патентные исследования.
- Подана в ФИПС патентная заявка по тематике солнечных элементов.
- По результатам исследований и разработок по проекту подготовлены две статьи и отосланы в научные журналы, индексируемые в базе данных Scopus и в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science).
- Результаты исследований и разработок по проекту представлены на двух международных конференциях.