CC BY
169
Information about the authors Voronin Sergey Michailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of energetic, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359) 42-4-00.
Panchenko Sergey Victorovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of energetic, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-928-147-16-16. E-mail: panchenkosergey@mail.ru
УДК 631.311
ЭФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2010 г. С.М. Воронин, А.А. Таран
Анализ различных типов фотоэлектрических преобразователей в составе солнечных электростанций с концентраторами солнечной энергии показал, что увеличение коэффициента концентрации приводит к увеличению рабочей температуры ФЭП, и, как следствие, к существенному снижению КПД различных видов фотоэлектрических преобразователей, а также к их деградации. Это факт необходимо принимать во внимание при выборе оптимальной степени концентрирования солнечного излучения для ФЭП и реализации системы отвода тепла в энергоустановках с концентраторами солнечного излучения.
Ключевые слова: солнечная электростанция, фотоэлектрические преобразователи, концентрирование, КПД, арсенид галлия, кремний.
The analysis of different types of photoelectric converters (PEC) included in solar electrostations with solar energy concentrators showed that concentration coefficient increase leads to PEC working temperature increase, and as a consequence to a significant decrease of efficiency of different types of photoelectric converters and to their degradation as well. This fact should be taken into consideration when choosing an optimal degree of solar emission for PEC and for realization of heat extraction system in energy installations with solar energy concentrators.
Keywords: solar electrostations, photoelectric converters, concentration, efficiency, gallium arsenide, silicon nitride.
В перспективной энергетике заметный вес будут иметь солнечные электростанции. В автономных солнечных электростанциях основу могут составлять твердотельные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Теоретически имеются различные варианты физических процессов превращения солнечной энергии в электрическую, но фотоэффект, не имеющий лишних звеньев преобразования, заведомо самый экономный из них.
Для повышения коэффициента использования энергии солнечного излучения применяют концентраторы солнечного излучения. Однако в этом случае необхо-
димо решать проблему выбора типа ФЭП, а также его нагрева, например, эффективность кремниевого ФЭП падает до нуля уже при 300 °С.
Основными материалами для создания фотоэлектрических преобразователей повышенной мощности являются кремний и арсенид галлия (Ga-As). Оптимальный диапазон степени концентрации для ФЭП на основе арсенида галлия приблизительно на порядок выше, чем для кремниевых ФЭП, что объясняется лучшей температурной стабильностью КПД. Это позволяет в концентраторных модулях на основе гетерофотоэлементов использовать достаточно
простые и дешевые системы охлаждения при электрической мощности, снимаемой с одного фотоэлектрического преобразователя, более 10 Вт. Таким образом, использование Al-Ga-As-гетероструктур для создания солнечного элемента открывает дополнительные возможности повышения эффективности преобразования солнечного излучения. Наибольшее применение для создания солнечных элементов получили гетеропереходы в системе алюминий-галлий-мышьяк, оптимальные с точки зрения эффективности преобразования солнечной энергии, вследствие близости параметров решеток арсенида галлия и арсе-нида алюминия.
На рисунке 1 представлены графики зависимости КПД фотоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур от коэффициента концентрации солнечного излучения (АМ 1,5). Предельные расчетные значения КПД для ФЭП основе Ga-As возрастают от 29% при коэффициенте концентрации Кс=1 до 35% при Кс=1000 (рис. 1, кривая 1). Из кривой 2 (рис. 1) видно, что реально достижимое значение КПД увеличивается от 26% при Кс=1 до 30% при Кс=100-300, в основном благодаря увеличению напряжения холостого хода. Снижение КПД при дальнейшем увеличении Кс связано с возрастанием омических потерь.
Рис. 1. Зависимость КПД ФЭП на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур от коэффициента концентрации солнечного излучения (АМ 1,5)
Увеличение степени концентрирования солнечного излучения приводит к увеличению рабочей температуры солнечного элемента и снижению КПД в основном за счет уменьшения напряжения холостого хода ихх. Большая, чем в кремнии, ширина запрещенной зоны арсенида галия обеспечивает лучшую температурную стабильность параметров солнечного элемента на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур. Температурные коэффициенты ихх и КПД уменьшаются с увеличением степени кон-
центрирования солнечного излучения. Типичное экспериментальное значение температурного коэффициента при Кс=400 составляет Кт=2-10-3 °С -1.
Уменьшение ширины запрещенной зоны при увеличении температуры и, как следствие этого, небольшое увеличение фототока несколько компенсирует снижение ихх. Величина температурного коэффициента фототока составляет 0,001 °С -1 и практически не зависит от степени концентрирования солнечного излучения.
Из представленных на рисунке 2 зависимостей КПД при АМ 0 от температуры видно, что температурный коэффициент КПД уменьшается при различных коэффициентах концентрации. Внесение цинка диффузным методом позволяет улучшить
температурную стабильность фотоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур, работающих при концентрированном солнечном излучении.
Рис. 2. Зависимости КПД солнечных элементов на основе AlGaAs-GaAs-гетероструктур от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения (AM 0)
Солнечные элементы на основе мо-нокристаллического кремния, работающие при неконцентрированном солнечном облучении, получили наибольшее распространение в автономной солнечной энергетике. В последние годы выполнены также широкие исследования кремниевых фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения и достигнуты значительные значения КПД. Кроме монокристаллического кремния, для создания фотоэлектрических преобразователей начинает широко использоваться по-ликристаллический и гидрогенизирован-ный аморфный кремний, главным достоинством которого является меньшая стоимость. Аморфные материалы образуют отдельный класс веществ, во многом аналогичных кристаллическим полупроводникам.
Исследование их свойств и расширение класса представляют собой актуальные
физико-теоретическую и физико-техническую задачи. КПД фотоэлектрических преобразователей на аморфном кремнии реально (в батарее) можно довести до 15%. Однако эффективность таких ФЭП существенно снижается при использовании концентрированного солнечного излучения, что не дает оснований предполагать их широкое применение совместно с концентраторами солнечного излучения. По этим причинам здесь не рассматриваются фотоэлектрические преобразователи на основе аморфного и поликристаллического кремния, а также ФЭП на основе тонкопленочных полупроводниковых соединений.
По конструктивному исполнению мощные кремниевые фотоэлектрические преобразователи можно разделить на два основных типа: фотоэлементы с р-п-пєрє-ходом, расположенным параллельно облучаемой поверхности; многопереходные
ФЭП с несколькими р-^переходами, расположенными перпендикулярно или параллельно облучаемой поверхности.
Первый тип - это «обычная» конструкция фотоэлектрических преобразователей, оптимизированная для преобразования концентрированного солнечного излучения.
Второй тип - многопереходные солнечные элементы, разработанные специально для преобразования сильноконцентрированного солнечного излучения, так как в этих фотоэлектрических преобразователях обеспечивается существенное снижение омических потерь.
В кремниевых фотоэлектрических преобразователях, оптимизированных для работы с неконцентрированным солнечным излучением, при небольшом повышении интенсивности излучения (при Кс=2-3) КПД начинает уменьшаться, и это снижение составляет 20-30%.
В конструкциях солнечных элементов, специально разработанных для преобразования концентрированного солнечного излучения, основное внимание обращалось на снижение омических потерь при сохранении высоких значений фототока и рабочего напряжения.
Рис. 3. Зависимость КПД ФЭП на основе кремния от коэффициента концентрации солнечного излучения
На рисунке 3 показана зависимость КПД от степени концентрирования солнечного излучения для кремниевых фотоэлектрических преобразователей. В разработанных конструкциях кремниевых ФЭП достигаются значения КПД, превышающие 20% при Кс=100 (AM 1,5, Т < 30 °С).
Приведенные характеристики (рис. 3) получены для фотоэлектрических преобразователей, рабочая температура которых, при повышении уровня облучения, поддерживалась постоянной (24-27 °С). Однако в реальных условиях при естественном воздушно-конвекционном охлаждении батареи ФЭП и концентрированном солнеч-
ном излучении равновесная температура может превышать 100 °С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зоны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фотоответа в длинноволновую область. Однако это увеличение фототока не компенсирует уменьшения Ц« вследствие экспоненциального увеличения тока насыщения с ростом температуры, что приводит к существенному снижению КПД при увеличении температуры. В вертикальных кремниевых солнечных элементах, так же как и в планарных, наблюдается уменьшение темпе-
Рис. 4. Зависимости КПД солнечных элементов на основе Si от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения
ратурного коэффициента КПД при увеличении Кс. Ниже приведена температурная характеристика кремниевых фотоэлектрических преобразователей (рис. 4).
Таким образом, увеличение величины Кс приводит к возрастанию рабочей температуры и к существенному снижению КПД различных видов фотоэлектрических преобразователей, а также к термическому и инжекционному отжигу. Этот факт необ-
ходимо принимать во внимание при выборе оптимальной степени концентрирования солнечного излучения для ФЭП в энергоустановках с концентраторами солнечного излучения для сохранения достигнутых значений КПД ФЭП. Необходима разработка конструкции, обеспечивающей эффективный отвод тепла, образующегося в энергоустановках с концентраторами солнечной энергии.
Литература
1. Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / В.М. Андреев, В.А. Грихилес, В.Д. Румянцев. - Ленинград: Наука, 1989. -310 с.
2. Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Соросов-ский образовательный журнал. - 1996. - № 7.
Сведения об авторах
Воронин Сергей Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Энергетика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8(86359) 42-4-00.
Таран Андрей Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники и электроснабжения сельского хозяйства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8(86359) 35-6-55.
Information about the authors Voronin Sergey Michailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of energetic, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359) 42-4-00.
Taran Andrey Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of agricultural power engineering and electric supply theoretical basis, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 35-6-55.
УДК 621.316.925
РАСЧЕТ ФИЛЬТРА НАПРЯЖЕНИЯ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
© 2010 г. М.А. Иваница
Предложен расчет фильтра напряжения обратной последовательности (ФНОП). Шунтирование одного из резисторов ФНОП можно осуществить с помощью герконового или токового реле РТ-40. Если произойдет обрыв фазы питающей сети за местом присоединения ФНОП, то увеличится ток в обмотке двигателя и сработает токовое реле, вызывающее срабатывание устройства защиты.
Ключевые слова: защита, несимметричное питающее напряжение, фильтр напряжения обратной последовательности, конденсатор, реле.
It is suggested a calculation of filter voltage of negative sequence (FVNS). Bypass of one of the resistors FVNS can be realized with the help of reed or current relay PT-40. If mains supply fails at a place of FVNS connection, current in engine winding will increase and current relay will be put into operation, which will switch on protection device.
Keywords: protection, unbalanced supply voltage, filter voltage of negative sequence, capacitor, relay.
Перегрузка и несимметричное питающее напряжение [1] являются основными причинами выхода из строя электродвигателей в сельском хозяйстве, поэтому целесообразно совместить в одном устройстве защиту от этих причин.
Существуют токовые защиты (например: Каскад, СУЗ-10, СУЗ-40), реагирующие на среднее значение тока, поэтому при несимметрии питающего напряжения защита может не сработать.
В тепловых реле серии ТТЛ нагревательные элементы установлены во всех трёх фазах, однако, для двигателей работающих в повторно кратковременном режиме (например: электродвигатель по-
гружного насоса) возможно несрабатывание защиты, так как тепловой элемент не успеет нагреться до температуры срабатывания (согласно ГОСТ 16308-84 тепловое
реле должно сработать за 20 минут при I = 1,2 1н).
Фазочувствительная защита (ФУЗ-М) выпускается индивидуально для двигателя определённой мощности, поэтому при замене электродвигателя необходимо заменять и защиту.
Для того чтобы совместить в одном устройстве токовую защиту и защиту от несимметрии питающих напряжений, выберем фильтр обратной последовательности (ФНОП) [2, 3].
Обычно фильтры напряжений обратной последовательности изготавливают активно-ёмкостными с тремя входами А, В, С, и двумя выходными зажимами т и п (рис. 1), а фильтры напряжений нулевой последовательности - ёмкостными с входными зажимами А, В, С, и выходными -К, N1.
