CC BY
232
О повышении эффективности энергетической установки на основе солнечной батареи
А.Н. Каррыев, к.ф.-м.н, Н.К. Комарова, д.с.-х.н., профессор, С.В. Саюков, студент, Л.Г. Нигматов, студент, Оренбургский ГАУ
В настоящее время совершенно ясно, что запасы ископаемого топлива не беспредельны, что приводит к необходимости изыскивать новые, предпочтительно возобновляемые, источники энергии. В связи с этим заметно возросла актуальность метода фотоэлектрического преобразования солнечного света в электрическую энергию с помощью полупроводниковых солнечных батарей.
В качестве автономных источников электроэнергии наибольшее распространение получили кремниевые солнечные батареи. Однако широкомасштабное использование солнечных батарей сдерживается высокой стоимостью электроэнергии, получаемой с их помощью. Значительную часть этой стоимости составляют затраты на приобретение самих солнечных батарей. Проведён технико-экономический расчёт энергетической установки мощностью 2000 Вт на основе кремниевых солнечных модулей типа MSW-80/40-20 (производство компании Solbat) для электроснабжения сельского дома [1]. Обо-
рудование установки включает в себя (помимо 58 солнечных модулей) аккумуляторные батареи, инвертор и контроллер заряда аккумуляторов. Общая стоимость оборудования составляет 560 тыс. руб., из которой на солнечные модули приходится 464 тыс. руб.
Одним из перспективных способов повышения экономической эффективности фотоэлектрических систем на основе кремниевых солнечных батарей является применение концентрированных световых потоков. Увеличение с помощью оптической системы, концентрирующей солнечное излучение, количества световой энергии, падающей на фотоэлементы, приведёт при постоянном коэффициенте полезного действия (КПД) к большей выходной мощности, выделяемой в нагрузке. Это означает общее снижение затрат на получение 1 Вт пиковой мощности.
С другой стороны, есть основания полагать, что в относительно небольшом интервале концентраций солнечного света КПД преобразования солнечной энергии фотопреобразователей с гомогенным переходом на основе кремния мало изменяется или даже увеличивается с ростом освещённости.
Коэффициент полезного действия П преобразования солнечной энергии фотопреобразователей определяется с помощью соотношения:
1 КЗ^XX р
где 1кз — плотность тока короткого замыкания; — напряжение холостого хода;
/ — коэффициент заполнения вольт-ампер-ной характеристики;
Р — плотность мощности падающего излучения.
В течение ряда лет во многих лабораториях разрабатывали и изучали солнечные фотопреобразователи, предназначенные для работы в условиях концентрированного светового потока [2, 3]. Можно отметить некоторые результаты, полученные для кремниевых фотоэлементов.
1. Теоретически и экспериментально показано, что у кремниевых однопереходных фотоэлементов с очень малым последовательным
сопротивлением Я Ом ■ см2 (С — коэф-
2С
фициент концентрации солнечного излучения) коэффициент заполнения увеличивается по мере повышения облучённости, а при наличии хорошего теплоотвода КПД возрастает почти по логарифмическому закону [2].
2. Согласно теоретическим моделям, разработанным для солнечных фотоэлементов из поликристаллических материалов, КПД такого фотоэлемента существенно повышается в условиях концентрированного излучения (при степенях концентрации от 3 до 20). Это означает, что использование поликристаллических солнечных фотопреобразователей в сочетании с оптическими системами при малых степенях концентрации солнечного излучения может оказаться экономически выгодным.
3. Доказана зависимость коэффициента заполнения/от коэффициента концентрации излучения для кремниевых солнечных фотоэлементов при различных значениях последовательного сопротивления. Показано, что даже при стократной интенсивности излучения характеристики фотоэлемента будут удовлетворительными, если их последовательное сопротивление не превышает нескольких сотых долей Ома [3].
Цель работы — исследовать фотоэлектрические характеристики кремниевых солнечных батарей в условиях повышенной освещённости.
Методика эксперимента. В условиях низкой и повышенной освещённости измеряли нагрузочные вольт-амперные характеристики кремниевых батарей, состоящих из однопереходных фотоэлементов. В качестве источника света использовали линзовый осветитель с лампой накаливания и три прожекторные системы с галогенными лампами мощностью 500 Вт каждая.
Вольт-амперные характеристики получены путём изменения величины сопротивления нагрузки, включённой последовательно с батареей. Для измерения напряжения и силы тока применялись цифровые приборы М890Е Температуру батарей контролировали с помощью термопары, освещённость измеряли люксметром с селеновым фотоэлементом, мощность падающего излучения — с помощью актинометра и радиационного напылённого термостолбика РТН-20 С.
Результаты исследований. Объектом исследования послужили шесть небольших кремниевых батарей, состоящих из нескольких последовательно соединённых фотопреобразователей. Фотопреобразователи представляют собой однопереходные фотоэлементы, изготовленные из кристаллического кремния. Они имеют просветляющее покрытие и фронтальную контактную сетку в виде растра. Размеры рабочей поверхности составляют 6 х 6 см.
Батареи различаются по своим характеристикам и имеют значения КПД преобразования от 4,1 до 6,5%.
Низкий уровень освещённости С<1. Нагрузочные вольт-амперные характеристики при разной освещённости батарей имеют вид, показанный на рисунке 1. Кривая 1 соответствует освещённости Е = 10000 лк, тогда как другие характеристики сняты при большей освещённости (кривая 2 — 13000 лк, кривая 3 — 20000 лк).
Анализ вольт-амперных характеристик показывает, что с увеличением освещённости значения фотоэлектрических характеристик солнечных батарей (Ткз, и^, /, максимальная мощность, выделяемая в нагрузке, Рм), определяющих КПД преобразования, изменяются. Характер этих изменений показан на рисунках 2—4.
Как видно, фототок короткого замыкания 1кз увеличивается с ростом освещённости Е примерно по линейному закону. Напряжение холостого хода ихх с ростом освещённости слабо увеличивается, выходя на насыщение. При большой освещённости было замечено быстрое небольшое уменьшение ихх в начале измерения, что вызвано радиационным нагревом батареи. Коэффициент заполнения, имея начальное значение / = 0,7, при большой освещённости уменьшается до 0,56—0,6. Максимальная мощность, выделяемая в нагрузке (Рт), с ростом освещённости также увеличивается, что обусловлено ростом фототока.
Уровень повышенной освещённости. Для создания концентрированного светового потока использовался линзовый осветитель с мощной лампой накаливания, создававший на поверхности батареи световой поток с коэффициентом концентрации С от 1 до 4,5. Результаты измерения вольт-амперных характеристик солнечной батареи, состоящей из пяти фотоэлементов, приведены в таблице. Коэффициент концентрации
КІМ
■и
кЯН
Рис. 1 - Вольт-амперные характеристики
солнечной батареи из пяти элементов при различной освещённости
Рис. 2 - Зависимости силы фототока короткого замыкания от освещённости (для 3 солнечных батарей)
Рис. 3 - Зависимости напряжения холостого хода
от освещённости (для 2 солнечных батарей)
Рис. 4 - Зависимость максимальной мощности
от освещённости (для солнечной батареи из пяти элементов)
Характеристики солнечной батареи из пяти элементов при повышенной освещённости
С В !ка, мА I Рм, мВт П, %
1 2,75 72 0,69 137 4,1
2 2,72 145 0,66 260 3,94
3 2,63 215 0,63 344 3,6
3,8 2,62 286 0,6 450 3,59
4,5 2,6 325 0,58 490 3,3
С = 1 соответствует интенсивности падающего излучения 100 мВт/см2. Приведены оценочные значения п, поскольку спектр излучения осветителя отличается от спектра солнечного света.
Как видно из таблицы, при повышенной облучённости С>1—2 наблюдается небольшой спад ихх, вызванный нагревом. Температура батареи при коэффициенте концентрации С = 3,8 составляла 54 °С. Достаточно заметное уменьшение коэффициента заполнения / обусловлено последовательным сопротивлением фотоэлементов, образующих батарею, и приводит к небольшому спаду КПД преобразования. Увеличение максимальной выходной мощности вызвано ростом фототока, который при повышении интенсивности падающего излучения происходит примерно по линейному закону. По нашим оценкам, рост фототока и, соответственно, выходной мощности Рм возможен до
степени концентрации 250—300 и сдерживается в основном радиационным нагревом батареи.
Это утверждение основано на теории о механизме протекания тока в гомогенном переходе из кристаллического кремния [2]. В условиях, приближающихся к высокому уровню инжекции, плотность тока в квазинейтральной области ^-типа примерно равна вВпИА / Ьп (здесь Бп, Ьп — коэффициент диффузии и диффузионная длина электронов, Ил — концентрация акцепторов). Для материала, из которого изготовлены исследованные батареи, она составляет 5—6 А/м2. Такие плотности тока могут быть достигнуты лишь в концентрированном световом потоке с высоким коэффициентом концентрации, то есть в условиях очень сильной освещённости. Считается, что при сильной освещённости фототок насыщается на уровне значения ~ иа / Я,, где иа — диффузионный потенциал, Я — последовательное сопротивление. Для использованных фотоэлементов этот уровень намного превышает наблюдавшиеся фототоки и соответствует коэффициентам концентрации С намного больше 10.
Поскольку режимы облучения, применённые в данной работе, далеки от режима насыщения, для однопереходных кремниевых фотопреобразователей возможно использование гораздо больших уровней облучённости. Поэтому при наличии хорошего теплоотвода от батареи можно
подобрать интервал концентраций солнечного излучения, в котором КПД преобразования г| и другие характеристики батареи будут иметь достаточно высокие стабильные значения, чтобы обеспечить заметный рост выходной мощности.
Выводы. Исследование фотоэлектрических характеристик солнечных батарей из однопереходных кремниевых фотоэлементов, изготовленных по традиционной технологии, показало возможность значительного повышения выходной мощности солнечной батареи за счёт применения концентрированных световых потоков.
В ассортименте кремниевых солнечных модулей и батарей, выпускаемых промышленностью, существуют такие, которые могут быть использованы совместно с солнечными концентраторами средней степени концентрации
(СХЗОО) в энергетических устройствах аграрного назначения. Применение обычных кремниевых солнечных батарей или батарей из кремниевых фотопреобразователей специальной конструкции в сочетании с дешёвым солнечным концентратором позволяет уменьшить количество солнечных модулей или батарей, используемых в энергетическом устройстве на их основе, и в то же время значительно увеличить его выходную мощность.
Литература
1. Нигматов Л.Г, Патлахов Е.Н. Программа рационального замещения традиционных энергоресурсов возобновляемыми источниками электрической энергии: сб. матер. 5-го областного конкурса молодёжных авторских проектов «Моя страна — моя Россия». Оренбург, 2010. С. 19—22.
2. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы (теория и эксперимент). М.: Энергоатомиздат, 1987. 280 с.
3. Чопра К., Дас С. Тонкоплёночные солнечные элементы. М.: Мир, 1986. 440 с.
