CC BY
236. Садуллаев Н.Н., Сафаров А.Б., Нематов Ш.Н., Мамедов Р.А. "Статистический анализ ветрового энергетического потенциала в Бухарской области Республики Узбекистан с использованием распределения Вейбулла". Гелеотехника, 2019, том 55,№ 1, 67-77стр.
7. Садуллаев Н.Н., Сафаров А.Б. Узгарувчан ва кучсиз шамол окимларида ишловчи самарадор шамол генераторларини яратиш. Энергия ресурс тежаш муаммолари, 2018 №(3-4), б. 328-334.
8. Jacek F. Gieras, Rong-Jie Wang, Maarten J. Kamper "Axial flux permanent magnet brushless machines" Print 2004 Kluwer Academic Publishers Dordrecht. 15-32 pg.
9. http://www.femm.info/wiki/Download
10. K.C. Latoufis, G.M. Messinis, P.C. Kotsampopoulos and N.D. Hatziargyriou. "Axial Flux Permanent Magnet Generator Design for Low Cost Manufacturing of Small Wind Turbines". Wind Engineering. Volume 36. No. 4. 2012. pp. 411-442.
11. Sriram S. Laxminarayan, Manik Singh, Abid H. Saifee, Arvind Mittal." Design, modeling and simulation of variable speed Axial Flux Permanent Magnet Wind Generator". Sustainable Energy Technologies and Assessments 19(2017) 114-124.
УДК 621.31 Комилов А. Г.
ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ Cu(InxGa1-x)Se2
Комилов А. Г.- т.ф.ф.д. ( УзР ФА Физика-техника институти)
Cu(InxGa1-x)Se2 асосидаги юпца цатламли цуёш фотоэлементлари технологиясини таулил цилиш, ишлаб чициш ва амалга ошириш буйича дунёнинг етакчи илмий марказлари ва лабораторияларининг энг мууим мацолалари ва электрон нашрлари шаруи утказилди. Электр энергиясини ишлаб чицариш учун Cu(InxGa1-x)Se2 асосидаги юпца цатламли цуёш батареялари технологиясининг афзалликлари ва камчиликлари тугрисида илмий асосланган маълумотлар келтирилган.
Таянч сузлар: куёш фотоэлементлари, юпк;а цатламли, CIGS, ФИК, электр энергияси, c-Si, LCOE.
A review of the most significant publications and electronic issues of the world's leading research centers and laboratories for the analysis, development and implementation of thin-film solar cell technology based on Cu (InxGa1-x) Se2 have been performed. Scientifically substantiated data on the advantages and disadvantages of the technology of thin-film solar cells based on Cu (InxGa1-x) Se2 for the production of electricity are presented.
Key words: solar photovoltaic cells, thin film, CIGS, efficiency, electricity, c-Si, LCOE.
Из-за высокого потенциала солнечной энергии и существования потребности в энергоснабжении локализованных потребителей на территории нашей республики использование фотоэлектрических батарей (ФЭБ) является наиболее целесообразной альтернативой централизованному электроснабжению. С помощью ФЭБ можно покрывать коммунальные нужды и потребности, потребности малых производственных предприятий в регионах, отдаленных от систем центрального электроснабжения. Электрическую мощность от 100 до 200 Вт можно получить с 1 м2 современных ФЭБ при дневном солнечном свете, и при этом не производить никакого загрязнения окружающей среды вредными химическими веществами и не нарушается природный тепловой баланс. К тому же, ФЭБ не требуют специальных знаний для эксплуатации.
Во многих странах мира, как например в США, для домов и предприятий дешевле производить солнечную электроэнергию по средствам ФЭБ установленных на крышах домов, чем покупать ее у коммунальных предприятий. Как показано на рис.1, с точки зрения нормированной себестоимости электроэнергии (LCOE), крупномасштабная выработка электроэнергии с помощью PV является конкурентоспособной с традиционными электростанциями.
Согласно прогнозу Bloomberg NEF New Energy от 2018 года к 2050 году доля энергии ветра и солнечной энергии будет составлять 50% от мировых генерирующих мощностей.
В энергетической экономике с ограниченными выбросами центральную роль будет играть крупномасштабное, энергоэффективное и экологически чистое фотоэлектрическое производство электроэнергии.
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Ветреная электростанция ФЭЭС (на основе ТПТ) ФЭ ЭС (на основе с81) Газовая ЭС с КЦ ФЭС общественные Угольная ЭС Геотермалная ЭС ФЭС на крышах (масштабные) Атомная ЭС
Солнечные башни с аккумулированием
Газовая ЭС
ФЭС на крышах (индивидуальные)
минимум максимум
Рис. 1. Нормированная себестоимость электроэнергии из различных источников энергии,
$/мВтч (на основе данных [1]).
В то время как ФЭС на крышах жилых помещений и коммунальных предприятий будут продолжать увеличиваться в размерах и количестве, фотопреобразователи будут играть все более активную роль в качестве неотъемлемого элемента в нашей среде обитания, технологиях и транспорте[2].
Удовлетворение потребности быстро развивающейся фотоэлектрической отрасли, потребует эффективные, экологически чистые, надежные, гибкие, легкие, пригодные для вторичной переработки и экономически эффективные технологии производства. Тонкопленочный PV из меди-селенида индия-галлия (CIGS) идеально подходит для выполнения этой роли благодаря своим преимуществам и интенсивному развитию за счет проводимых исследований.
Солнечные фотоэлементы (СЭ)CIGS демонстрирует высокий КПД преобразования, как в лабораторных размерах, так и в промышленных модулях. Высокий КПД в сочетании с долговременной стабильностью даёт им возможность играть ведущую роль в мировом секторе возобновляемых источников энергии. CIGS, несомненно, представляет собой фотоэлектрическую технологию, предназначенную для доминирования в быстроразви-вающихся сегментах рынка фотоэлектрических систем, таких как фотоэлектрические системы, встроенные в здания (BIPV) [4].
Основные направления научных исследований. Селенид индия меди (CuInSe2 или CIS) представляет собой поглощающий материал тройного соединения p-типа, относящийся
к семейству I-III-VI2, и кристаллизуется в структуре тетрагонального халькопирита.
В 1953 году Hahn et al [5] впервые синтезировал материал CIS с запрещенной зоной 1,04 эВ [6], а затем было сообщено о КПД 12% для монокристаллических солнечных фотоэлементов на основе CuInSe2 [7]. В 1976 году был изготовлен первый тонкопленочный солнечный элемент CuInSe2/CdS с КПД 4-5% путем испарения порошка CuInSe2 в присутствии паров Se. Примерно в то же время Kazmerski и Sanborn сообщили о тонкопленочных гомопереходных солнечных элементах из сульфида меди индия (CuInS2) с КПД 3%. Тонкопленочные солнечные элементы на основе CIS начали привлекать больше внимание, когда в 1981 году Миккельсен и Чен продемонстрировали КПД в 9,4% при использовании со-испарения из элементных источников. Несколько лет спустя, благодаря методике со-испарения, было получено КПД 11,4%. С тех пор, произошло существенное увеличение КПД за счет использования ряда прорывных технологий, таких как легирование галлием (Ga) и получение материала CuIn1 xGaxSe2 (далее называемое CIGS), легирование натрием (Na) и замена толстого буферного слоя сульфида кадмия (CdS) тонким слоем CdSи легированные слои оксида цинка (ZnO) и т.д.
В последнее время при использовании буферного материала без кадмия (Zn,Mg) O/Zn(O,S,OH) получены значительные результаты, наилучшие КПД 22,8% [12] путем осаждения фторида калия между CIGS и буферными слоями и потом КПД 23,35%с двойными буферными слоями Zn(O,S,OH)x/Zn0,8Mg0,2O, нанесенными с помощью комбинации методов химического осаждения из раствора и атомно-слоевого осаждения.
Введение Ga для увеличения запрещенной зоны примерно от 1.04 эВ до оптимального значения 1,3-1,5 эВ (в зависимости от солнечного спектра), создание варьирующей запрещенной зоны и использование щелочных материалов («легирующие примеси») также помогло повысить КПД солнечных фотоэлементов на основе Cu (In, Ga) Se2 (CIGS). Солнечные элементы на основе CIGS не только пережили взлеты и падения фотоэлектрических систем, но также создали конкуренцию для Si технологии и другим тонкопленочным фотоэлектрическим технологиям, таким как CdTe и Si: H.
Принцип работы солнечного элемента CIGS заключается в следующем: буферный слой CdS n-типа (Eg~2,4 эВ) пропускает свет до 2,4 эВ в поглощающий слой, где в основном генерируются электронно-дырочные пары. Фотоны высокой энергии (>2.4 эВ) поглощаются слоем CdS. Из-за встроенного электрического поля на границе p-n-перехода (между CIGS/CdS) электроны в области диффузионной длины уносятся из поглощающего слоя p-типа в буферный слой n-типа и собираются с помощью n- контакта. Точно так же дырки перемещаются из слоя n-типа в слой p-типа и собираются p-контактом.
Мо пленка также действует как отражатель и отражает непоглощенные фотоны обратно в поглощающий слой. Существенное улучшение отражения от задней стороны было замечено, когда сплав Mo-Cu используется в качестве заднего контакта.
В кристаллической структуре CIGS некоторое количество индия заменяется Ga в пленке CuInSe2, и, следовательно, ширина запрещенной зоны CIGS увеличивается от 1,04 эВ. Если весь индий заменить на Ga, запрещенная зона CIGS возрастает примерно до 1,7 эВ.
Экологические преимущества CIGS не имеют аналогов. Он имеет чрезвычайно низкую долю выброса СО2 при производстве и является материалом, пригодным для вторичной переработки.
Также примечательно что производительность CIGS в летние месяцы выше по сравнению с другими технологиями и многообещающе для засушливых климатических условий.
Около 92% коммерческих модулей изготовлены из Si, а на тонкопленочные модули приходится 8%, из которых CIGS-модули составляют всего 2%.
Si нетоксичен и распространен в природе, и был первым материалом, использованным для изготовления солнечных фотоэлементов. Сырье CIGS менее распространено. Для высокой абсорбции и механической прочности толстые и жесткие пластины c-Si (180 мм)
используются в качестве поглотителей при производстве модулей и 50% себестоимости элемента обусловлено стоимостью пластин.
Выращивание крупных кристаллов чистого Si - дело сложное, и для солнечных фотоэлементов Si требуется дорогостоящая технология изготовления. Тем не менее, надежность солнечного элемента Si не имеет аналогов ни в одной другой технологии солнечных фотоэлементов, и технология процесса изготовления хорошо отработана. Для фотоэлементов CIGS недостаточно отчетов о стабильности для инкапсулированных фотоэлементов.
Солнечные элементы CIGS являются альтернативой Si солнечным элементам и менее подвержены повреждениям, чем Si солнечные элементы. Технология CIGS очень конкурентоспособна и требует меньше сырья, затрат и времени.
Производство CIGS требует меньших температур (~550°С), чем с^ (~1100°С), и элементы CIGS могут быть монолитно интегрированы во время обработки фотоэлементов, тогда как в солнечных элементах Si монолитная интеграция невозможна. КПД этих технологий в лабораторном масштабе (2х2 см2) близки (CIGS 23,35%, с^ 25,6%).
Si является плохим поглотителем потому что является непрямозонным полупроводником, и имеет низкий коэффициент поглощения, а CIGS имеет высокую поглощательную способность солнечного излучения даже по сравнению с другими прямозонными полупроводниками. По причине высокого коэффициента поглощения и меньших потерь материала при изготовлении, CIGS является очень перспективным поглощающим слоем. Запрещенную зону CIGS можно настроить так, чтобы она соответствовала солнечному спектру, частично заменив индий на галлий. CIGS поглощает большую часть солнечного спектра в пределах 1 мкм, для устройства достаточно тонкого слоя ~2.0-2.5 мкм. Из-за более низкого использования материалов и требований к энергии для производства, стоимость производства солнечных фотоэлементов CIGS ниже, чем у солнечных фотоэлементов Si. Кроме того, время окупаемости энергии для технологии CIGS (~1 год) меньше, чем у технологии с^ (~2 года).
Пленка CIGS может быть нанесена непосредственно на различные подложки, такие как стекло и гибкие пленки, которые требуют меньше энергии, чем выращивание и нарезка Si. В обычных солнечных элементах с^ для получения омических контактов и снижения последовательного сопротивления решетки с трафаретной печатью и задние алюминиевые контакты полной площади имеют толщину около 20 мкм и 40 мкм соответственно, тогда как в солнечных элементах CIGS толщина контактов на десятки раз меньше.
Помимо наземных применений солнечные элементы CIGS могут использоваться для космических применений из-за их высокой радиационной стойкости. Кроме того, их пригодность для монолитной интеграции (межсоединение между ячейками) приводит к низкой себестоимости из-за меньшего количества этапов обработки.
К недостаткам можно отнести сложность обеспечения однородности пленки, не существует стандартизация оборудования как для многоисточникового со-испарения, так и для двухстадийной обработки CIGS для крупномасштабного производства. Существует большое различие в КПД фотоэлементов небольшой площади и коммерчески доступными модулями.
Существует также несколько недостатков и проблем, связанных с вакуумным процессом производства солнечных фотоэлементов CIGS. Вакуумный процесс не экономичен и занимает много времени. Источники испарения имеют распределение косинусного потока. Следовательно, резкие изменения в составе и однородности пленки на большой площади не могли быть сохранены. Для поддержки стеклянных подложек большой площади и равномерного нагрева подложек большой площади выше 550°С источник испарения должен быть установлен сверху вниз. Кроме того, поскольку Se является относительно нереакционноспособным, его необходимо подавать в избытке, чтобы избежать потери Se из пленки CIGS, приводящей к конденсации паров селена на боковых стенках
системы покрытия. Рециркуляция конденсированных паров Se является основным ограничением.
Для сравнения, в таблице! приведены характеристик модулей CIGS и с-81
Таблица1
Сравнение характеристик модулей CIGS и с-Si
Характеристики СЮ8 Кристаллический Si
Годовая производительность + 10-20% стандарт
эффект 10% затенения Уменьшает производительность максимум на 10% Уменьшает производительность до 80%
Производство СО2 Потребляется значительно меньше энергии, чем при производстве с- Использует много энергии на этапе производства
Использование фотоэлементов медь, индий, галлий и селенид На основе кремния.
Гибкость Доступны очень гибкие модули Только полу гибкий, из-за пластин
Микротрещины нет трещин или повреждений Из-за образования пластин кристаллический модуль уязвим для микротрещин, которые снижают КПД
Долговечность Пластин плохо переносят транспортировку или давление (от снега и ветра)
Цикл жизни Ожидаемый срок службы одинаковый
Влияние температуры Снижение выработки электроэнергии около 0.3% за 1°С повышения температуры Снижение выработки электроэнергии около 0.6% за 1С° повышения температуры
КПД до 19% до 23%
Вес до 2,9 кг/м2 до 5,5 кг/м2
Типичная гарантия 5 или 10 лет техническая, 25 лет на выработку энергии
Внешний вид Обычно черный, но может быть изготовлен во всех цветах и даже прозрачным Черный для монокристаллического и голубоватый для поликристаллического
Поскольку кадмий токсичен, утилизация содержащего кадмий продукта оказывает вредное воздействие на окружающую среду и оказывает токсическое воздействие на человека. Вывод из эксплуатации является серьезной проблемой в развивающихся странах. Требуется панелей CIGS без кадмия. К тому же последний рекорд КПД установлен на СЭ без С^
Индий в основном получается, как побочный продукт из цинка, и его доступность ограничена производством цинка. Спрос на индий может увеличиться с большим производством модулей CIGS, и повышение цен может произойти из-за разрыва между спросом и предложением.
Из-за дефицита и нестабильности цен на 1п и Ga, используемые в CIGS, CZTS со структурой кестерита является кандидатом на замену CIGS и привлекает внимание в качестве поглощающего слоя для солнечных фотоэлементов. CZTS представляет собой четвертичный поглощающий материал, состоящий из меди, цинка, олова и серы, которые не токсичны и распространены на земле. CZTS аналогичен поглотителю CIGS, но дефицитные элементы 1п и Ga, присутствующие в CIGS, заменяются на Zn и Sn, соответственно, в CZTS. Однако самый высокий зарегистрированный коэффициент полезного действия элемента составляет всего 12,6% из-за высоких потерь Vхх, связанных с рекомбинацией из-за дефектов в объеме и на границах.
Заключение. Проведенный обзор литературы показал, что солнечные фотоэлементы на основе CIGS на сегодняшний день являются полноценной технологией которая является конкурентоспособной с доминирующими на сегодняшний день солнечными фотоэлементами на основе кристаллического кремния. Кроме этого, технология CIGS позволяет замещать такие токсичные элементы как кадмий и дорогостоящие элементы как индий или галлий, что дает возможность изготовления более экологичных и дешевых солнечных фотоэлементов.
ЛИТЕРАТУРА
1. https://www.lazard.com/media/451086/lazards-levelized-cost-of-energy-version-130-vf.pdf
2. Feurer, T., Reinhard, P., Avancini, E., Bissig, B., Löckinger, J., Fuchs, P., Tiwari, A. N. (2017). Progress in thin film CIGS photovoltaics - research and development, manufacturing, and applications. Progress in Photovoltaics, 25(7), 645-667. http://doi.org/10.1002/pip.2811.
3. Green, M. A., Dunlop E. D., Levi D. H., Hohl-Ebinger J., Yoshita M., & Ho-Baillie A. W. Y. (2019). Solar cell efficiency tables (version 54). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 27(7), 565-575. doi:10.1002/pip.3171
4. https://www.zsw-bw.de/uploads/media/CIGS_White_Paper_2019_online.pdf
5. H. Hahn, G. Frank, W. Klingler, A.-D. Meyer, G. Störger, Untersuchungen über ternäre Chalkogenide. Über einige ternäre Chalkogenide mit Chalkopyritstruktur. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, Band 271, 153-170 (1953)
УДК: 621.311.1 Саъдуллаев А.Б., Бобоназаров Б.А., Имомназаров А.Б.
«ШУРТАН» НЕФТ ВА ГАЗ ЦАЗИБ ЧИЦАРИШ БОШЦАРМАСИ ЭЛЕКТР ТАРМОЦЛАРИДА ЭНЕРГИЯ ТЕЖАШ ВА ЭЛЕКТР ЭНЕРГИЯ ИСРОФЛАРИНИ
КАМАЙТИРИШ МАСАЛАЛАРИ
Саъдуллаев А.Б. - ф.-м.ф.н., доцент; Бобоназаров Б.А. - катта укитувчи; Имомназаров А.Б.- ассистент (КарМИИ).
В данной статье рассмотрены мероприятия по снижению потерь электроэнергии и проблемы сбережения электрической энергии на основе анализа режимов электрических сетей и режима работы технологических установок нефтегазодобывающего управления «Шуртан».
Ключевые слова: электроэнергия, энергосбережение, потери мощность, реактивная мощность, частотный преобразователь.
This article discusses measures to reduce electricity losses and the problems of saving electric energy based on an analysis of the modes of electric networks and the operation mode of technological installations of the Shurtan oil and gas production department.
Key words: electricity, energy saving, power loss, reactive power, frequency converter.
Электр энергияси истеъмолининг юкорилиги ва исрофи, катта кувватли электр таъминотига эга булган ишлаб чикариш корхоналарининг техник-иктисодий курсаткичларига салбий таъсир этади [1,2]. Хусусан, истеъмол килинган электр энергиясининг бах,оси йиллик эксплуатация харажатларига кушилади. Шу сабабли, ишлаб чикариш жараёнларига таъсир этмаган х,олда электр энергия исрофини камайтириш,
