CC BY
64
г-
МЕХАНИЗАЦИЯ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ЖИВОТНОВОДСТВА, РАСТЕНИЕВОДСТВА
УДК 621.315.592:546.28
НАНОРАЗМЕРНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОУСТАНОВОК
© 2011 г. Н.В. Ксенз, К.Х. Попандопуло, И.Г. Сидорцов
Исследовалась возможность применения наноразмерных покрытий (10 нм<Л<1100 нм) на основе a-C:H, a-SiC:H и CTO для повышения энергетической эффективности CM и ге-лиоколлекторов. Для получения покрытий использовались методы плазмохимического осаждения и магнетронного распыления. Показана возможность применения: 1) просветляющих покрытий на основе a-C:H для повышения максимальной мощности и КПД солнечных модулей; 2) покрытий на основе СТО - для повышения энергетической эффективности гелиоколлекторов и теплиц. 3) р-слоёв на основе a-SiC:H для улучшения характеристик солнечных батарей.
Ключевые слова: наноразмерные покрытия, плазмохимическое осаждение, магне-тронное распыление, гелиоколлектор, солнечная батарея.
The possibility of nano-dimension covering using (10 nm<h<1100 nm) on amorphous hy-drogenating carbon basis is investigated, amorphous hydrogenating silicon carbide and cadmium stanat for increasing solar-module and solar power collector energetic efficiency is investigated. The plasma-chemical setting and magnetron spraying methods for covering are used. The use possibilities are given: 1) the clearing covering for increasing maximum power and solar-module efficiency; 2) the cadmium stanat covering for increasing of solar-collector and green-houses; 3) the p-layers for characteristics improvement.
Key words: ozone, nano-dimension covering, plasma-chemical setting, solar-collector, solar battery.
Электрификация и теплофикация процессов сельскохозяйственного производства существенно расширяет возможности повышения производства, сохранности и качества продукции, а также улучшения экологической обстановки и условий труда.
Однако решение этих задач связано с необходимостью значительного роста потребления электроэнергии и топлива [1]. В связи с этим и увеличением стоимости топлива во многих странах ведутся работы
по внедрению новых видов энергии. Важное значение имеет вовлечение в энергобаланс сельскохозяйственных потребителей солнечной энергии [2].
Перспективность автономного использования солнечной энергии обусловлена распределённостью потребителей и возможностью их комбинации для круглогодичного использования. В первую очередь речь можно вести об энергии солнца для производства как электрической, так и тепловой энергии [3... 5].
Так как в себестоимости продукции энергозатраты составляют 40...70%, то энергосбережение является важнейшим показателем эффективности работы тепличных комбинатов и гелиоустановок [6].
Применяемые в сельском хозяйстве зимние теплицы и гелионагреватели обладают низким коэффициентом полезного действия. Одним из путей его повышения является уменьшение потерь энергии через остекление в дальней ИК-области (рис. 1). В этой области спектра Солнца (^>12000 нм) атмосфера практически непрозрачна (рис. 2)
[7].
Уравнение теплового баланса для воздуха в теплице имеет следующий вид:
Динамику теплообмена теплицы можно описать уравнениями, характеризующими теплообмен между воздухом теплицы и остеклённой поверхностью, остеклённой поверхностью и наружным возду-хом.Тепловая мощность, передаваемая в окружающую среду через остекление
Об = Ок + Ос + От + Ор + Ол, (1)
где Об - количество тепла во внутреннем объёме воздуха в теплице;
Ок - количество тепла в теплице, передаваемого от отопления;
0С - количество тепла, передаваемого наружу через остекление;
0Р - количество тепла в теплице от солнечной радиации;
0Л - количество тепла в теплице, передаваемого почве;
0т - количество тепла, передаваемого наружу в результате фильтрации воздуха с улицы и вентиляции, оно зависит от температуры воздуха улицы, состояния кровли и от скорости ветра [5].
теплицы или гелиоколлектора, равна:
2 = а-^ -(Т -Т ), (2)
^с ос \ в нар Р х '
где а - коэффициент теплопередачи от внутреннего воздуха к наружному, (Вт/(м2-К);
Гос - площадь поверхности остекления,
2
м ;
Ор
Наружный воздух
остекление
Оп
Ос
Ок
Нагреватель
Почва
Рис. 1. Схема теплообмена теплицы
Те - температура внутренней поверхности остекления, К;
Тнар. - температура наружной поверхности остекления, К.
1
а =
+
(3)
а а
нар
А
где ае - коэффициент теплоотдачи воздушной среды теплицы к внутренней стек-
«-» 2 лянной поверхности, (Вт/(м -К);
анар - коэффициент теплоотдачи внешней стеклянной поверхности теплицы к наружному воздуху, (Вт/(м -К);
8ст - толщина стекла, м;
Аст - теплопроводность стекла, Вт/(м-К).
1
1
о
0
1
н
о V с; -п. ^
к ^ го ™
го аз а.
£ а) с О
1600
1200
800
400
0
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектр излучения Солнца
В данном случае коэффициент теплоотдачи воздушной среды к стеклянной поверхности теплицы ае зависит от коэффициента отражения (Яен.) внутренней поверхности остекления в ИК-области, т.е. а3=/(Яен.). Следовательно, одним из способов повышения энергетической эффективности теплиц и гелиоколлекторов является нанесение на внутреннюю поверхность остекления отражающих в ИК-области спектра и прозрачных в области (0,3 мкм <А<1,1 мкм) покрытий. Таким образом, будет изменяться коэффициент теплопередачи а, а следовательно, и температурный режим теплицы и гелиоустановки.
Исследование спектров пропускания Т=ДЛ) и отражения К=^(Х) в видимой области (350...700 нм) и в ИК-области (2500.. .25000 нм) структур стекло/СТО показало, что слои станната кадмия СТО
имеют прозрачность 85...90% в видимой области спектра, а в ИК-области - высокий коэффициент отражения 80...90% (рис. 3). Это позволяет сделать вывод о возможности использования их в качестве тепловых фильтров-отражателей для гелиоколлекто-ров и теплиц.
Для проверки возможности использования СТО в качестве фильтров-отражателей в дальней ИК-области были изготовлены два микропарника, верхняя поверхность одного покрывалась стеклом без слоя СТО, а другого - стеклом со слоем СТО (800 нм<Л<1100 нм) [8]. В парники были вмонтированы идентичные термопары, с помощью которых измерялась температура внутри парника. После нагрева микропарников до одинаковой температуры снималось изменение температуры внутри парников в зависимости от времени.
Рч <и К
к
(О
I
£ О
к н
(и
£ о
о £
100
80
60 чн
40
20
-—Ряд1 —----- Ряд2 — Ряд3 » Ряд4
10 15 20
Длина волны, мкм
25
Рис. 3. Спектры пропускания (Т) и отражения (Я) плёнок СТО, 1...3 - Т=Д^); 4 - Я=А(А,)
Результаты эксперимента показали, что при использовании стекла с покрытием из СТО тепло внутри парника сохраняется дольше. Это обусловлено тем, что температура почвы в парнике (20.30 °С) соответствует излучению в дальней ИК-области (5.25 мкм), которое и отражается слоём СТО внутрь парника.
Для теплицы «Фитотрона» были проведены производственные испытания отражающих в ИК-области спектра прозрачных проводящих покрытий на основе СТО. Покрытия наносились на боковые стёкла и стёкла крыши секции теплицы площадью 40 м . Было установлено, что температура почвы в этой секции была выше на 2-3 °С, чем в соседних секциях. Расход энергии на обогрев секции теплицы при этом снизился на 15%.
Перспективы широкого применения солнечных батарей связаны как с проблемой повышения КПД и снижения их удельной себестоимости, так и с факторами, возникающими при воздействии внешней среды и времени [9].
Повышение энергетической эффективности солнечных модулей (СМ) может осуществляться за счёт увеличения доли солнечного излучения, попадающего в область р-п-перехода фотопреобразователя. Исследования спектров отражения монокристаллического и поликристаллического кремния в области 300.12000 нм показали, что 80.85% подающего излучения отражается и только лишь 15.20% проникает в глубь кремния (рис. 4).
Одним из перспективных путей увеличения энергоэффективности СМ является применение просветляющих покрытий прозрачных не только в видимой, но и в ультрафиолетовой области спектра [7]. Применяемые для этой цели просветляющие покрытия на основе сульфида цинка или оксида тантала имеют довольно узкий минимум коэффициента отражения в видимой области спектра (рис. 5). Они позволяют увеличить долю прошедшей в р-п-об-ласть солнечной энергии на 5.10%.
0
0
5
Рис. 4. Схема взаимодействия излучения с ФЭП: а - без просветляющего покрытия; б - с просветляющим покрытием; 1 - p-слой ФЭП,
2 - п-слой ФЭП; 3 - защитное просветляющее покрытие; 4 - падающее на ФЭП; излучение; 5 - отражённое излучение; 6 - прошедшее в область р^-перехода излучение
Покрытия (300 нм<Л<600 нм) на основе аморфного гидрированного углерода (а-С:Н) прозрачны в видимой и ближней ультрафиолетовой областях. Коэффициент отражения системы Si/а-С:Н меньше, чем системы Si/ZnS, а ширина минимума больше (рис. 5). Их применение в качестве просветляющих покрытий позволяет снизить долю отражённой солнечной энергии
в видимой и ближней УФ областях спектра до 25...30% и, соответственно, приводит к увеличению энергетической эффективности СМ.
Для оценки практического использования слоёв на основе а-С:Н в качестве просветляющих покрытий были проведены испытания солнечных модулей типа РУМ-60. Данные испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты испытаний покрытий на солнечных модулях типа РУМ-60
при стандартном освещении
Параметры PVM-60 Напряжение холостого хода их.х., мВ Ток короткого замыкания /кз.,, мА
PVM-60 без просветляющего 515 64
покрытия
PVM-60 с просветляющим * покрытием из ZnS 530 70
PVM-60 с просветляющим 543 80
покрытием из а^ Л
*
ZnS - стандартное просветляющее покрытие, используемое в технологии предприятия.
Длина волны, нм
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от длины волны: 1 - система Б^пБ; 2 - система 81/а-С:И
Из сопоставления результатов испытаний видно, что покрытия на а-С:Н, полученные плазмохимическим напылением, увеличивают напряжение холостого хода на 5.8% и ток короткого замыкания на 15.25%, что доказывает эффективность их применения.
Напряжение холостого хода СМ заметно возрастает при увеличении ширины запрещённой зоны р-слоя. Это может быть связано с увеличением разности потенциалов (Лф) между р- и п-слоями солнечного модуля.
Лф = Е -Ер -Е", (4)
т опт. / / 7 4 '
где Еопт - оптическая ширина запрещённой зоны;
Ер и Е" - энергии Ферми в валентной
зоне р- и п-слоёв соответственно.
Электрооптические свойства р-слоёв можно варьировать в довольно широких пределах изменением технологических параметров осаждения и состава плазмообра-зующей смеси.
Применение р-слоёв на основе аморфного гидрированного карбида крем-
ния должно быть целесообразно для решения следующих задач:
1) снизить потери при поглощении фотонов в неактивной области р-слоя;
2) увеличить напряжение холостого хода и фактор заполнения увеличением потенциального барьера на р/ьгранице раздела (рис. 6). В работе исследовалось влияние электрооптических свойств (темнового удельного сопротивления, энергии активации проводимости, оптической ширины запрещённой зоны и показателя преломления) р-слоя (200 нм^<300 нм) на основе аморфного гидрированного кремния а-БИ-хСх:Н на характеристики СМ. Нанесение р-слоёв производилось плазмохими-ческим методом в плазме тлеющего разряда в процессе изготовления солнечных элементов. Состав плазмы - моносилан SiH4 + метан СН4 и диборан В2Н6. р-слои толщиной 10 нм осаждались на проводящие токосъёмные слои 1ТО, нанесённые на стеклянную подложку (рис. 6).
Плотность тока короткого замыкания СМ возрастала на 5.10% при увеличении ширины запрещённой зоны от 1,7 до 2,1 эВ.
Поток фотонов
Стеклянная подложка
Прозрачный проводящий слой 1ТО
р-слой
ьслой
п-слой
Рис. 6. Структура солнечной батареи
Более эффективное воздействие оказывают плёнки с меньшим показателем преломления. Это объясняется ослаблением поглощения в р-слое и уменьшением отражения на границе ТТО/р-слой. Полученные результаты показывают перспективность применения р-слоёв на основе аморфного гидрированного карбида кремния для улучшения характеристик СМ.
На основании теоретических предположений и результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Применение структур стекло/СТО позволяет повысить энергетическую эффективность гелиоколлекторов и теплиц на 10.15%.
2. Применение защитных просветляющих покрытий на основе а-С:Н перспек-
тивно для повышения эффективности на 10.15% и продления срока службы СМ и фотопреобразователей на 30.40%.
3. Применение р-слоёв на основе а^ЮЛ должно быть целесообразно для повышения на 5.10% энергоэффективности СМ и фотопреобразователей.
Литература
1. Пирхавка, П.Я. Тенденции развития топливно-энергетического баланса сельского хозяйства / П.Я. Пирхавка // В кн.: Научно-технический прогресс в механизации, электрификации сельскохозяйственного производства. - Москва, 1981. - С. 99-100.
2. Использование солнечной энергии /под ред. Л.Е. Рыбаковой // А.: Ылым. -1985. - С. 280.
3. Каргиев, В.М. Возможности использования возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве / В.М. Каргиев, В.П. Муругов // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 3-й междунар. науч.-техн. конф. 1415 мая 2003 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ. Часть 4. Нетрадиционные источники энергии. Вторичные энергоресурсы. Экология. - Москва, 2003. - С. 9-17.
4. Carlson, D.E. Fossil fuels, the greenhouse effect and photovoltaics / D.E. Carlson // 20 th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Las Vegas, Nev., Sept. 26-30, 1988. - Conf. Rec. -Vol.1. - New York (N. Y.). - 1988. - Р. 1-7.
5. Нефёдова, Л.В. Возрастание роли возобновляемых источников энергии для энергообеспечения отдалённых сельских районов как фактора устойчивого развития / Л.В. Нефёдова // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 3-й междунар. науч.-техн. конф. 1415 мая 2003 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ. Часть 4. Нетрадиционные источники энер-
гии. Вторичные энергоресурсы. Экология. - Москва, 2003. - С. 24-29.
6. Герасимович, Л.С. Увеличение энергоэффективности зимних теплиц с малыми вложениями / Л.С. Герасимович, Д.В. Гончарик // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 3-й междунар. науч.-техн. конф. 1415 мая 2003 года, ГНУ ВИЭСХ. Ч. 2. Энергообеспечение технологии в растениеводстве и мобильной энергетике. - Москва, 2003. - С. 191-193.
7. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии /Дж. Твайделл, А. Уэйр; пер. с англ.; под ред. В.А. Коробкова. -Москва: Энергоатомиздат. -1990. - С. 391.
8. Применение антиотражающих покрытий для снижения энергопотребления объектами сельскохозяйственного производства / В.Н. Полунин, И.Г. Сидорцов, Т.В. Жидченко, О.В. Сидорцова // Сб. научн. трудов «Энергосбережение и энергосберегающие технологии в АПК». Вып. 1. - Зерноград: РИПККАК, 2003. - С. 1320.
Сведения об авторах Ксенз Николай Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры физики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. (86359)38-4-06.
Попандопуло Константин Христофорович - канд. техн. наук, профессор, декан факультета ТС в АПК Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. (86359)41-2-15.
Сидорцов Иван Георгиевич - канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры физики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. (86359)42-5-19.
Information about the authors Ksenz Nickolay Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the physics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)38-4-06.
Popandopulo Konstаntin Khristophorovich - Candidate of Technical Sciences, professor of the theoretical and applied mechanics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)41-2-15.
Sidortsov Ivan Gergeievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the physics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)43-7-94.
