«Создание эффективных альтернативных источников энергии на основе нанотехнологий для систем телекоммуникаций»
19 сентября 2013
Рубрика: Обзоры и мнения.
Автор: Р. Рахимов.

Максимальный КПД фотопреобразователей (ФП) на основе кремниевых p-n переходов достигнут в лабораторных образцах ~24%, в промышленных — 16–18%.

Дело в том, что оптимальный диапазон преобразования солнечной энергии для кремниевых фотопреобразователей приходится на инфракрасный спектр с малой интенсивностью в солнечном потоке излучения, а поглощение более интенсивных коротких электромагнитных волн спектра солнечного излучения вызывает лишь изменение энтропии кристаллической решетки кремния.

Таким образом, проблема повышения эффективности фотопреобразователей на основе кремния, предназначенных для массового производства электрической энергии из солнечной, зависит от спектрального состава и интенсивности преобразующей части спектра солнечного излучения. Необходимо развивать такие системы, позволяющие преобразовать неиспользуемую высокоэнергетическую коротковолновую часть солнечного излучения в диапазон, в котором фотоэлементы имеют максимальный КПД. Кроме того, одной из главных проблем является снижение температуры на солнечных батареях, с целью предотвращения потери ЭДС, что не только снижает реальный КПД, но и требует использования дополнительных элементов для компенсации подобных потерь. В частности, для зарядки большинства 12-вольтовых аккумуляторов в оптимальном режиме требуется 14,2–14,4 В. В то же время, за счет перегрева, ЭДС ФП может снизиться на 18 и более процентов. В этом случае приходится компенсировать эти потери дополнительно включенными последовательно элементами. Тогда при нормальной же температуре, наоборот, будет наблюдаться значительное повышение напряжения, подаваемого на аккумулятор, что также существенно снижает его срок службы. Таким образом, необходимо найти пути решения стабилизации, температуры на ФП, для того, чтобы обеспечить высокоэффективную работу не только по преобразованию солнечного спектра в фототок, но и продления срока службы аккумуляторов. В любом случае мы вынуждены использовать аккумуляторы, так как в ночное время ФП не могут быть использованы, следовательно, необходимо запасать энергию для этого периода времени.

Учитывая сказанное, нами разработан ряд пленочно-керамических композитов, на основе полиэтиленовой пленки и функциональной керамики, которые позволяют решать данную проблему.

В частности, нами был разработан ряд пленочно-керамических композитов, использование которых в системе ФП позволяет в определенных пределах стабилизировать температуру. Как известно, повышение температуры фотобатареи на 3–4 градуса, в зависимости от их качества, приводит к снижению эффективности преобразования солнечной энергии примерно на 1%.

Для исследования влияния пленочно-керамических композитов на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, использовались ФП на основе кремния, производства НПО «Квант» (эффективная площадь 66 см2, состоящая из 20 последовательно соединенных элементов, ЭДС при 35°С — 11 В). Измерения проводились в различных режимах, отличающихся тем, что рабочая поверхность ФП накрывалась штатным стеклом или полимер-керамическими композитными пленками (таблица 1).

Зависимость основных параметров фотобатареи от типа покрытия

issled_19_09_2013_2

Режим 1. Покрытие штатным стеклом; Режим 2. Покрытие трехслойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 2,5% (масс) в нижнем слое относительно полимера; Режим 3. Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 1,0% (масс); Режим 4. Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 1,5% (масс); Режим 5. Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с небольшим содержанием РЗЭ к керамике. Содержание керамики 0,5%* (масс) относительно полимера; Режим 6. То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 1,0%* (масс); Режим 7. То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 2,0%* (масс). Режим 8. То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 5,0% ** (масс).

В результате проведенных исследований показано, что замена штатного стекла на пленочно-керамический композит позволяет снизить температуру ФП на 7–15 градусов, при температуре окружающей среды 351 градус Цельсия, увеличить ток на 9–18%, ЭДС — на 4–10%.

Была рассчитана суммарная эффективность композитных пленок Р при данной температуре на батарее Т, выраженная как произведение отношение изменения тока и ЭДС относительно батареи, где в качестве покрытия использовалось штатное стекло.

P=(Ii/Io)•(Ui/Uo), где Ii — ток ФП при данном режиме, Iо — ток кремниевой фотоэлектрической батареи без покрытия, Ui — ЭДС ФП при данном режиме, Uo — ЭДС со штатным стеклом. Она возросла при данных условиях на 14–25%, в зависимости от применяемого композита.

Orphus system
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте