Регистрация / Вход
Прислать материал

Повышение энергоэффективности концентраторных фотоэлектрических модулей для солнечных батарей

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
преобразование солнечной энергии, полупроводниковый солнечный элемент, концентрирование солнечного излучения, солнечный фотоэлектрический модуль, система слежения за солнцем, солнечная энергоустановка.

Цель проекта:
Цели выполнения 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 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. 3 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, линзовыми концентраторами излучения.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта за весь срок выполнения проекта:

- Отчет о патентных исследованиях.
- Эскизная конструкторская документация на лабораторный импульсный измерительный комплекс для исследования фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей.
- Лабораторный импульсный измерительный комплекс для исследования фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей.
- Технологическая инструкция выращивания и постростовой обработки наногетероструктур ФЭП каскадного типа на основе соединений А3В5.
- Экспериментальные образцы (не менее 5 шт.) фотоэлектрических преобразователей (для космических солнечных батарей) с КПД = 35-38% в условиях околоземного космического пространства (АМ0), в том числе за счет промежуточного концентрирования (10-100 «солнц») солнечного излучения.
- Программа и методики испытаний экспериментальных образцов ФЭП для космических солнечных батарей.
- Математическая модель для универсальной всеширотной программы работы концентраторной фотоэлектрической установки с системой слежения за Солнцем.
- Программа и методики испытаний лабораторного импульсного измерительного комплекса для исследования фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей.
- Экспериментальные образцы «наземных» ФЭП с КПД = 43-45% при 500-1200 «солнцах» (не менее 5 шт.).
- Программа и методики испытаний экспериментальных образцов «наземных» ФЭП.
- Эскизная конструкторская и технологическая документация на изготовление линзовых концентраторных и фотоприёмных панелей.
- Технологическая инструкция сборки концентраторных фотоэлектрических модулей.
- Экспериментальный образец концентраторного фотоэлектрического модуля с энергосъемом 350-400 Вт/м2 в «космических» условиях освещения АМ0 (1367 Вт/м2) (не менее 1 шт.).
- Экспериментальный образец «наземного» концентраторного фотоэлектрического модуля с КПД более 35% в «наземных» условиях освещения АМ 1.5 (1000 Вт/м2) (не менее 1 шт.).
- Программа и методики лабораторных испытаний концентраторных фотоэлектрических модулей («космического» и «наземного»).
- Технологическая инструкция сборки солнечных батарей на основе концентраторных фотоэлектрических модулей, размещения и юстировки больших массивов концентраторных фотоэлектрических модулей.
- Эскизная конструкторская документация на механические поддерживающие устройства системы слежения за Солнцем, обеспечивающие повышенную стойкость к ветровым и иным воздействиям.
- Программная документация на программу управления системой слежения за Солнцем.
- Эскизная конструкторская документация на электронные компоненты системы слежения за Солнцем с подавлением чувствительности к свету, исходящему не от солнечного диска.
- Эскизная конструкторская документация на интегральный электромеханический блок приводов вращения и датчиков положения платформы для системы слежения за Солнцем.
- Экспериментальный образец системы слежения за Солнцем для концентраторной фотоэлектрической установки (1 шт.).
- Методика контроля качества концентраторных фотоэлектрических модулей.
- Эскизная конструкторская документация на компоненты концентраторной фотоэлектрической установки со слежением за Солнцем.
- Технологическая инструкция изготовления компонентов концентраторной фотоэлектрической установки со слежением за Солнцем.
- Программа и методики натурных испытаний системы слежения за Солнцем для концентраторной фотоэлектрической установки.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции на основе результатов ПНИ с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
- Отчёт о маркетинговых исследованиях в области концентраторной фотовольтаики.
- Проект ТЗ на проведение ОКР по теме: «Разработка опытной технологии производства концентраторных фотоэлектрических модулей для солнечных батарей».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Технические характеристики научно-технической продукции:
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).

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.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
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.

Текущие результаты проекта:
Основными результатами за истекший период 2015 г. являются:
- технологии выращивания и постростовой обработки наногетероструктур ФЭП каскадного типа на основе соединений А3В5;
- рекомендации по созданию радиационно-стойких ФЭП, оптимизированных для работы в условиях Луны и Марса, а также околомарсианских и более отдалённых от Солнца орбит, характеризующихся более низкой рабочей температурой солнечных батарей по сравнению с рабочей температурой в околоземном космическом пространстве;
- экспериментальные образцы ФЭП для космических солнечных батарей;
- программа и методики испытаний экспериментальных образцов ФЭП для космических солнечных батарей и протоколы их испытаний;
- математическая модель для универсальной всеширотной программы работы концентраторной фотоэлектрической установки с системой слежения за Солнцем;
- программа и методики испытаний лабораторного импульсного измерительного комплекса для исследования фотоэлектрических характеристик модулей солнечных батарей;
- методики испытаний «наземных» фотоэлектрических преобразователей, основанные на применении имитаторов Солнечного излучения с концентрированием;
- эскизная конструкторская и технологическая документация на изготовление линзовой концентраторной и фотоприёмной панелей;
- технология сборки концентраторного фотоэлектрического модуля, разработанная с учётом возможной автоматизации сборки;
- методики испытаний концентраторных фотоэлектрических модулей, основанные на применении имитаторов Солнечного излучения с высокой однородностью неконцентрированного пучка в поле засветки;
- технология сборки солнечных батарей на основе концентраторных фотоэлектрических модулей, размещения и юстировки больших массивов концентраторных фотоэлектрических модулей;
- разработанные элементы крепления модулей, обеспечивающие юстировку точную ориентацию модуля в плоскости, параллельной всем модулям в составе батареи.
Число публикаций – 3. Число патентных заявок – 1. Количество мероприятий по популяризации – 2.
Объем привлеченных внебюджетных средств – 1,88 млн. руб.
Использование уникальных научных установок, ЦКП, объектов зарубежной инфраструктуры:
- УНУ токамак ТУМАН-3М;
- Северо-западный ЦКП «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях»;
- инфраструктура и оборудование лабораторий Института Солнечной Энергии (г. Мадрид, Испания).