Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0088

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0088
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Повышение энергоэффективности концентраторных фотоэлектрических модулей для солнечных батарей
Докладчик
Андреев Вячеслав Михайлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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. Оптимизация конструкций полупроводниковой наногетероструктуры и чипа ФЭП, оптимизация режимов ростовой МОС-гидридной технологии и постростовой технологии, а также совершенствование конструкции концентраторного фотоэлектрического модуля с целью снижения оптических потерь.
Снижение себестоимости и увеличение срока эксплуатации концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей 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.
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 и линзовыми концентраторами излучения.
Актуальность и новизна исследования
На протяжении последних десяти лет в мире начала формироваться новая отрасль электроэнергетики, основанная на фотоэлектрическом преобразовании солнечного излучения в полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях (ФЭП). Преимущества этого способа удовлетворения энергетических потребностей человечества для грядущих поколений трудно переоценить, имея в виду не только экономические и экологические аспекты, но также политические и социальные.
Установленная в мире полная мощность устройств солнечной электроэнергетики к началу 2016 года составила около 230 ГВт. Быстрый рост солнечной электроэнергетики во многом обусловлен такими факторами, как государственная поддержка и удешевление себестоимости производства фотоэлектрических модулей. Кристаллический кремний остается в мире основным материалом солнечных модулей. Малая доля солнечных батарей приходится на тонкопленочные структуры и на другие типы, включая разрабатываемые в рамках данного проекта концентраторные солнечные энергоустановки. Концентраторная энергоустановка данного типа является сравнительно сложным устройством, объединяющим в себе высокоэффективные ФЭП, линзовые концентраторы излучения и систему слежения за Солнцем. Совершенствование компонентов такого устройства требует привлечения специалистов широкого профиля, владеющих технологиями полупроводниковой электроники, оптики, теплотехники и разработки оптоэлектронного и механического оборудования.
Описание исследования

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 ФЭП на основе материалов 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 ФЭП на основе соединений GaInP/GaInAs/Ge в реальности включают в себя 25÷30 субмикронных и наноразмерных эпитаксиальных слоев. Здесь три фотоактивных р-n перехода соединены последовательно через два туннельных р-п перехода. Несмотря на то, что в своей основе структуры ФЭП для космических и наземных применений весьма схожи по материалам и набору технологических операций, их оптимизация должна учитывать условия реального функционирования. Разработка и оптимизация многокаскадных ФЭП с повышенной эффективностью для применения в наземных и космических солнечных энергоустановках с концентраторами излучения составляют первую из научно-технических задач по предлагаемому проекту. Метод выращивания наногетероструктур – газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (МОС-гидридный метод).

Вторая задача связана с разработкой солнечного концентраторного модуля. Эту задачу можно охарактеризовать как комплексную. Должны учитываться требования по оптической эффективности концентраторов излучения, способности ФЭП 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. В рамках настоящего проекта осуществлена проработка оптимальных с точки зрения оптики, теплотехники и совместимости материалов вариантов концентраторных модулей, а также созданы базовые технологии, которые при надлежащих капиталовложениях можно будет 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 проработаны системы слежения за солнцем для концентраторных солнечных энергоустановок, обладающие новыми существенными особенностями. Первая особенность состоит в оригинальном расположении модулей на раме следящей системы. Они размещены рядами в виде лестницы с расстоянием между рядами, примерно равным высоте модулей в каждом ряду.

Разработан датчик положения солнца, который малочувствителен к излучениям, исходящим не от солнечного диска. В этом датчике использованы 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, системы слежения за солнцем для концентраторных солнечных энергоустановок нового поколения позволяют реализовать интеллектуальный алгоритм управления этими энергоустановками с возможностью получения максимально возможных уровней электрогенерации в различных регионах земного шара.

Результаты исследования

В итоге реализации проекта получены следующие результаты:

- Разработаны базовые принципы конструирования и новые технологии изготовления компонентов концентраторных солнечных батарей;

- Создан импульсный измерительный комплекс, предназначенный для измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых фотоэлектрических модулей;

- Технология выращивания и постростовой обработки наногетероструктур ФЭП;

- Технология ФЭП для работы в условиях Луны и Марса, а также околомарсианских и более отдалённых от Солнца орбит;

- Для «наземных» ФЭП достигнут КПД более 43% (АМ1.5, 500-1200 «солнц»);

- Для «космических» ФЭП достигнут КПД более 35% (АМ0, 10-100 «солнц»);

- Разработаны конструкции и технологии для изготовления линзовых концентраторных панелей, фотоприемных панелей и солнечных модулей;

- Технология сборки концентраторных солнечных батарей, размещения и юстировки больших массивов солнечных модулей;

- Разработана конструкция механических поддерживающих устройств системы слежения за Солнцем;

- Разработана конструкция электронных компонент экспериментальной системы слежения за Солнцем;

- Разработана конструкция интегрального электромеханического блока приводов вращения платформы и датчиков положения платформы для системы слежения за Солнцем;

- Для концентраторных модулей достигнут удельный энергосъем 350 Вт/м2 в условиях освещения АМ1.5 и более 380 Вт/м2 в условиях АМ0;

- Конструкция и технология компонентов концентраторных солнечных энергоустановок со слежением за Солнцем;

Полученные результаты защищены в качестве объектов интеллектуальной собственности. Поданы патентные заявки на изобретения в области фотоэлектрических преобразователей, концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей со слежением за Солнцем.

Разработаны программа и методики испытаний, проведены лабораторные и натурные испытания макетов. В результате испытаний получены прогнозные данные о сроке эксплуатации концентраторных солнечных батарей, предложен комплекс мер, которые позволят повысить срок службы.

Практическая значимость исследования
В ходе выполнения последующих работ, использующих 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, концентраторных фотоэлектрических модулей, фотоэнергоустановок со слежением за Солнцем.
Основным потребителем результатов ПНИ является индустриальный партнёр – Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (АО «ИСС»). Результаты в части солнечных элементов могут быть востребованы АО «НПП «Квант» (г. Москва), ПАО «Сатурн» (г. Краснодар).
С помощью институтов развития, привлекая дополнительные частные инвестиции, с использованием полученных результатов предполагается создание производства концентраторных фотоэлектрических модулей и фотоэнергоустановок со слежением за Солнцем. В зависимости от условий предоставления инвестиций, мощность производства составит от 10 до 100 МВт/год установленной мощности выпускаемых фотоэнергоустановок.