CC BY
22
УДК 629.341 D01:10.30977/BUL.2219-5548.2018.80.0.53
ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ ПАРАМЕТР1В НАВАНТАЖЕННЯ ДЛЯ ЕФЕКТИВНО1 РОБОТИ КРЕМШСВИХ СОНЯЧНИХ БАТАРЕЙ
Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Дзюбенко О.А., ХНАДУ
Анотаця. Визначено оптимально параметри активного навантаження для монокристал1чних та полтристал1чних сонячних батарей (СБ), що в1дпов1дають критерт передачi максимально! потужност1 в навантаження. Розкрито та проаналiзовано класифiкацiю СБ. Результати експериментальних до^джень подано у виглядi вольт-амперних характеристик та залежно-стi потужностi СБ вiд струму навантаження.
Ключов1 слова: енергозберiгаючi технолога, сонячна батарея, сонячний елемент, альтернати-вт джерела електроенергИ, енергiя сонця, сонячна панель.
Вступ
У наш час вщновлювальш види енерги, у тому чи^ й сонячна, розвиваються досить штенсивно, тому тривае активний пошук способiв тдвищення продуктивносп юную-чих систем, що дозволять максимально ефек-тивно перетворити енерпю сонця в електри-чну енерпю. Тут можна видшити два напря-ми - пряме перетворення сонячного випро-мшювання в електричний струм i багатокро-кове (тобто перетворення сонячно! енерги в тепло, далi - в мехашчну роботу, а потiм - в електроенерпю). Поки у другому напрямi досягнуто бiльш високих результата - про-мисловi гелiоустановки з концентраторами, турбшами або двигунами Спрлшга показу-ють непогану продуктивнiсть.
Наприклад, в Нью-Мексико гелюстанци з сонячними концентраторами i двигунами Стiрлiнга отримують ККД на виходi 31,25 % [1]. Подiбнi гелiоустановки е надзвичайно складними i дорогими. Вони е ефективними в умовах дуже високо! сонячно! активносп й поки не набули достатнього розповсюдження у свт. Тому прямi перетворювачi сонячного випромшювання - сонячнi батаре! (СБ) по застосуванню займають лiдируюче положен-ня у свт сонячно! енергетики. Продуктив-нiсть серiйних промислових сонячних панелей на сьогодш, залежно вщ технологи, зна-ходиться в дiапазонi вiд 5 % до 22 %, але технологи розвиваються й удосконалюються -вже розробляються i тестуються новi сонячнi елементи (СЕ) з ККД в межах ~40 % [2].
Аналiз публжацш
На цей час ринок СБ складаеться з декшь-кох рiзних зразкiв, що вiдрiзняються техно-логiею виготовлення i матерiалами, з яких !х
виробляють. На рис. 1 наведено класифша-цiю СБ [3-6].
Батаре!, основа яких - кремнш, на сьогод-нi е найбшьш популярними та поширеними. Пояснюеться це широким розповсюдженням кремшю в земнiй корi, його вщносною дешевизною i високим показником продуктивнос-тi, в порiвняннi з шшими видами СБ.
Рис. 1. Класифшащя сонячних батарей
Переважна бшьшють чарунок сонячних перетворювачiв сучасних сершних СБ (або фотомодулiв) виготовляеться з монокриста-лiчного (C-Si), або полкристатчного (МС-Si) кремнiю. На сьогоднi таю кремнiевi фотоеле-ктричнi модулi займають близько 90 % ринку фотоелектричних перетворювачiв, з яких приблизно 2/3 припадае на полшристатчний кремнш i 1/3 на монокристатчний. Далi йдуть сонячш модулi, фотоелементи яких виготовлеш за тонкоплiвковою технологiею - методом осадження, або напилення фото-чутливих речовин на рiзнi пiдкладки. Сутте-ва перевага модулiв з цих елемента - це нижча вартють продукцii, адже для них пот-рiбно приблизно в 100 разiв менше матерiа-лу, порiвняно з кремшевими пластинами.
Найменш поширенi - багатоперехiднi СЕ з так званих тандемних або багатоперехщних чарунок (multijunction cells) [7].
Розглянемо бшьш детально зазначеш СБ. Монокристалiчнi СБ являють собою крем-нieвi чарунки, об'eднанi мiж собою. Для !х виготовлення використовують максимально чистий кремнш, отриманий за методом Чох-ральського [7]. Пюля затвердiння готовий монокристал розрiзають на тонкi пластини товщиною 250-300 мкм i пронизують сггкою з металевих електродiв (рис. 2, а). Технолопя е порiвняно дорогою, тому й коштують мо-нокристатчш батаре! дорожче, нiж полшри-статчш або аморфнi. Вибирають цей вид СБ через високий показник ККД (приблизно 1722 %) [7, 8].
Для отримання полiкристалiв кремшевий розплав пiддаеться повiльному охолоджен-ню. Така технологiя вимагае менших енерго-витрат, отже i собiвартiсть кремшю, отрима-ного з И допомогою, е меншою. Сдиний, але суттевий мiнус, - полiкристалiчнi СБ мають нижчий ККД (12-18 %), рис. 2, б. Причина полягае в тому, що всередиш полшристала утворюються обласп iз зернистими межами, як i призводять до зменшення ефективносп елементiв [9].
Якщо проводити розподш залежно вiд ви-користовуваного матерiалу, то аморфнi батаре! вщносяться до кремшевих, а якщо за техноло-гiею виробництва - до плiвкових (рис. 2, в).
а б в
Рис. 2. Кремшевi сонячнi батаре!: а - моно-кристалiчнi; б - полiкристалiчнi; в -аморфш
У разi виготовлення аморфних панелей, використовусться не кристалiчний кремнiй, а сшан або кремнieводень, що тонким шаром наноситься на матерiал пщкладки. ККД таких батарей становить всього 5-6 %, у них дуже низький показник ефективносп, але, незважаючи на щ недолiки, вони мають i ряд переваг [1, 10]:
- показник оптичного поглинання в 20 ра-зiв вище, нiж у полi- i монокристатв;
- товщина елементiв менше 1 мкм;
- в порiвняннi з пол> та монокристалами
мае бшьш високу продуктившсть при похму-рш погодi;
- пiдвищена гнучкiсть.
Крiм описаних вище видiв кремнiевих СБ, юнують i !х гiбриди. Так, для бшьшо! стабь льностi елеменпв використовують двофаз-ний матерiал, що являе собою аморфний кремнш iз включеннями нано- або мшрокри-статв. За властивостями отриманий матерiал схожий з полшристатчним кремнiем.
Другим пунктом наведено! класифшацп йдуть плiвковi СБ (класифшуються залежно вiд технологi! виробництва). Розробка плiвко-вих батарей зумовлена потребами в зниженш вартостi СБ та необхщнютю полiпшення !х продуктивносн й технiчних характеристик. Оскiльки вони набули меншого поширення i застосування, то в !х описi обмежимося тiльки перерахуванням !х основних видiв [7]:
- на основi CdTe;
- на основi селенщу мiдi-iндiю;
- на основi полiмерiв.
У табл. 1 наведено узагальнеш данi про ККД рiзних видiв СБ [1].
Таблиця 1 - ККД р1зних вид1в сонячних батарей
Вид сонячно! батаре! ККД
Моно 17-22 %
Пол1 12-18 %
Аморфш 5-6 %
На основ1 телуриду кадмш 10-12 %
На основ1 селенщу мщЫндш 15-20 %
На основ1 пол1мер1в 5-6 %
Аналiзуючи наведенi данi, стае очевид-ним, що найбiльш прийнятними i доступни-ми е полi- i монокристалiчнi СБ. Як вже за-значалося ранiше, вони займають близько 90 % ринку СБ i е найбшьш доступними. Тому при подальших дослiдженнях будемо спиратися ильки на цi два типи СБ.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е визначення оптимального параметра активного навантаження для мо-нокристатчних та полшристатчних сонячних батарей, що вщповщае критерiю переда-чi максимально! потужностi в навантаження.
Для досягнення поставлено! мети необ-хщно вирiшити такi задачi: розкрити та про-аналiзувати класифiкацiю СБ; подати результата експериментальних дослщжень СБ; провести анатз отриманих результата експериментальних дослщжень СБ.
Визначення оптимальних параметрiв навантаження СБ
У робот [7] сформульованi основш вимо-ги ефективно! роботи СЕ. По-перше, для за-безпечення поглинання максимально можли-во! кiлькостi енергi! випромшювання, що потрапляе на СЕ, оптичний коефщент пог-линання фотоелектричного шару повинен бути близьким до одинищ. По-друге, фото-генерованi носи повинш ефективно збирати-ся на контактних електродах з обох сторш фотоелектричного шару, що мютить р-п-перехiд. По-трете, СЕ повинен мати оптима-льну висоту бар'ера в р-п-переход^ достатню для забезпечення високого значення напруги холостого ходу ихх, але не дуже велику. Це необхiдно для того, щоб запоб^ати погли-нанню фотонiв сонячного спектра. По-четверте, повний опiр зовшшнього кола, включеного послiдовно з СЕ, мае вщповщати критерiю передачi максимально! потужносп в навантаження, тобто бути рiвним опору самого СЕ.
Виконання перших трьох пункпв не за-лежить вщ звичайного споживача, бо визна-чаеться виробником СБ. Виконання ж четвертого пункту - це вже задача споживача (за-вдання програмно-апаратних засобiв, що кон-тролюють навантаження та характеристики роботи СБ тд час !х експлуатацп).
Отже виникае нагальне питання: яким повинно бути зовшшне навантаження СБ та як воно повинно змшюватися залежно вщ конк-ретних умов експлуатацп (штенсивносп сонячного освгглення, кута нахилу панелi, тем-ператури нагрiвання панелi тощо)? Звюно, щоб проаналiзувати всi наявнi зовшшш чин-ники експлуатацi! СБ, потрiбно провести до-сить велику кшьюсть експериментальних та теоретичних дослiджень. Тому будемо досль джувати !х по черзi та приводити !х результата в науково-техшчнш перiодицi у мiру !х виконання.
У цiй робот подамо результати перших iз запланованих дослщжень, а саме вольт-амперш характеристики та залежнiсть потужносп згенеровано! електроенергi! вiд активного навантаження, що тдключаеться до СБ. Це дозволить визначитися зi значенням навантаження, за якого буде спостер^атися найбшьше значення згенеровано! електрич-но! потужностi, а отже, буде виконуватися критерш передачi максимально! потужностi в навантаження [7].
Для проведення дослщжень було обрано найбшьш поширеш та доступш в Укра!нi СБ - це монокристатчна та полiкристалiчна по-тужнiстю 100 Вт та 110 Вт вщповщно.
Технiчнi характеристики вибраних СБ приведенi в табл. 2.
Таблиця 2 - Техшчш характеристики сонячних панелей
Параметр Монокристал Полжристал
Модель: FS-100M/100\W FS-110P/110W
Вага, кг: 8,45 9,18
Номшальна потужшсть, Вт: 100 110
Номшальна напруга ином, В: 17,50 17,50
Номшальний струм 1ном, А: 5,72 7,72
Напруга при роз1мкнутому контур1 ихх, В 21,60 21,60
Струм короткого замикання 1кз, А 6,46 7,10
Габарити ВхДхШ, мм: 1070х670х35 1170х670х35
За наведеними техшчними характеристиками можна визначити внутршнш опiр дос-лiджуваних батарей
Rвн = (1)
кз
Вщповщно до (1) внутршнш опiр панелей дорiвнюе: Rвн (моно) = 3,34 Ом; Rвн (пол!) = 3,04 Ом. Цi значення опору дають уявлення, яким повинно бути навантаження для отримання ефективно! роботи СБ [7].
Ще одним важливим параметром СБ (або
СЕ) е коефщент заповнення FF - параметр, який, в поеднанш зi струмом короткого за-микання (фотострумом) i напругою холостого ходу, визначае максимальну потужнють на виходi СЕ.
FF визначаеться як вщношення номшаль-но! потужностi СЕ до добутку Цхх на 1кз i до-рiвнюе максимальнiй площi прямокутника, який можна вписати у вольт-амперну криву СЕ [7].
FF _ 1ном ином (2)
Вщповщносл до (2) коефщент заповнен-ня дослщжуваних панелей дорiвнюе: ^^(моно)= 0,72; FF(полi)= 0,88.
Перейдемо до експериментальних досль джень.
Умови експерименту
1. Обрано сонячний день (мюяць - ли-пень), час вщповщае найбiльшiй штенсивно-стi сонячного випромшювання (м. Харкiв), дiапазон 12:30-14:00.
2. Навантаження, що пiдключаеться до СБ вщповщно до схеми експерименту (рис. 3), змшюеться в дiапазонi вщ 2 до 10 Ом. Крок змши - 0,5 Ом.
Рис. 3. Схема експерименту
3. Температура поверхш СБ становить ~45 °С.
4. Вимiрювання проводяться пiд час ко-роткочасного замкнення кола навантаження СБ, що дозволяе позбутись залежносл опору навантаження вщ температури.
5. Вимiрювання струму та напруги вщпо-
1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,
I, А
а
р
и
1,5 2,5 3,5 4,5 5,5
вщно до рис. 3 проводяться цифровими му-льтиметрами АРРА 82.
6. Кут нахилу СБ 35°^40° (обрано опти-мальний кут для дано! широти).
7. Для зменшення похибки вимiрювання проводились у прямому та зворотному на-прямку циклiчно, що вiдповiдае поступовому збшьшенню та зменшенню опору навантаження.
Результати вим1рювань
Проведено серiю вимiрювань, усередненi значення яких подано у виглядi графiкiв на рис. 4, де «Пол^истал 1» та «Монокристал 1» вiдповiдають прямому способу вимiрювання, а «Полiкристал 2» та «Монокристал 2» - зво-ротному.
Перша точка (найменше значення стуму) вщповщають активному опору навантаження 10 Ом, остання - 2 Ом. Бiльшi та меншi значення опору навантаження для вибраних панелей дослщжувати недоцшьно, у зв'язку з малою ефектившстю роботи панелi в цих дiапазонах навантаження, що наочно видно на отриманих графiках.
Анал1з експериментальних дослщжень
Проводячи аналiз отриманих результата (рис. 4), стае очевидно, що СБ мають найбь льшу ефективнiсть свое! роботи (вiдповiдно до максимально! згенеровано! потужностi) в дiапазонi активного навантаження вiд 3 Ом до 3,5 Ом.
р
и
I, А
б
р
\
и
\
I, А
в г
Рис. 4. Експериментальш характеристики СБ: а - полшристал 1; б - полжристал 2; в - монокристал 1; г - монокристал 2
Отже, при використанш такого типу та номшально! потужностi СБ необхщно пщт-римувати навантаження, що до них тдклю-чаеться в зазначеному дiапазонi. Використо-вувати вказанi СБ з навантаженням, що ви-ходить за щ межi, е неефективним.
Отримаш результати цiлком збiгаються з вище зазначеним критерiем передачi максимально! потужносп в навантаження. Вщпо-вiдно до приведених технiчних характеристик розраховано внутршнш опiр СБ, який для монокристатчно! батаре! становить 3,34 Ом, а для полшристатчно! - 3,04 Ом.
Якщо дослщжуваш типи СБ складати в системи з вщповщним послщовно-пара-лельним з'еднанням, то потрiбно визначати внутрiшнiй отр системи СБ. Тодi навантаження, що тдключаеться до тако! системи, повинно вщповщати критерiю передачi максимально! потужносп й розраховуватись з урахуванням того, що одна монокристатчна СБ мае внутрiшнiй опiр 3,34 Ом, а полшрис-талiчна - 3,04 Ом.
Також слщ зазначити, що на ефективнють роботи СБ впливае !! нагрiвання, тобто чим вищою е температура поверхш СБ, тим мен-шою - !! ефективнiсть. Ще один не менш значущий чинник - це кут нахилу СБ вщповь дно до промешв сонячного випромiнювання.
Пiд час експериментальних дослщжень кут нахилу тдтримувався в межах 35^40°, (що е оптимальним показником для широти, на якш знаходиться м. Харкiв; мюяць - липень).
Висновки
Проведено визначення оптимального параметра активного навантаження для моно-кристалiчних та полшристатчних СБ, що вiдповiдае критерда передачi максимально! потужностi у навантаження. Розкрито та проаналiзовано класифiкацiю СБ. Подано результати експериментальних дослщжень СБ у виглядi вольт-амперних характеристик та залежносп потужносп СБ вщ струму навантаження. Проведено аналiз отриманих результата експериментальних дослщжень, який показав, що для найбшьш ефективно! роботи СБ !! активне навантаження повинно пщтримуватися в межах 3-3,5 Ом.
Лггература
1. Типы солнечных батарей и их КПД / Ма-терiали сайту. - 2015. - Режим доступу: ^1р://Ш;ет. org.ua/materials/show/tipy solne chnyh batarey.
2. Ginley D. S. Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability / D.S. Ginley, D. Cahen. - Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2011. - 754 с.
3. Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей / Матерiали сайту. - 2016. -Режим доступу: http: //altenergiya.ru/ sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html.
4. Green M.A. Third generation photovoltaics: advanced solar electricity generation / M.A. Green // Spriinger-Verlag, Berlin. -2003. - 160 с.
5. Marti A. Next Generation Photovoltaics / A. Marti, A. Luque. - Bristol: Institute of Physics Publ., 2004. - 344 с. .
6. Bauer T. Thermophotovoltaics: Basic Principles and Critical Aspects of System Design / T. Bauer. - Berlin: Springer-Verlag, 2011. - 202 с.
7. Миличко В.А. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития / В.А. Миличко // Успехи физических наук. - 2016. - Т. 186, № 8. -С. 801-852.
8. Андреев Г. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / Г. Андреев. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.
9. Wei C. Y. Efficiency improvement of HIT solar cells on p-type Si wafers / Wei C. Y. // Materials. - 2013. - Vol. 6, №. 11. -С. 5440-5446.
10. Hamakawa Y. (Ed.) Thin-Film Solar Cells: Next Generation Photo-voltaics and Its Applications / Y. Hamakawa. - Berlin: Springer, 2004. - 244 с.
References
1. Tipy solnechnykh batarei i ikh KPD. [Types of solar cells and their efficiency]. (2015). utem.org.ua. Retrieved from: http://utem. org.ua/materials/show/tipy solnechnyh batarey [in Russian].
2. Ginley, D.S., Cahen, D. (2011). Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability. Cambridge: Cambridge Univ. Press.
3. Razbiraemsia v mnogoobrazii vidov solnechnykh panelei [Understand the diversity of types of solar panels] (2015). altener-giya.ru. Retrieved from: http: //altenergiya.ru /sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html [in Russian].
4. Green, M.A. (2003). Third generation pho-tovoltaics: advanced solar electricity generation. Spriinger-Verlag, Berlin.
5. Marti, A., Luque, A. (2004). Next Generation Photovoltaics (Bristol: Institute of Physics.
6. Bauer, T. (2011). Thermophotovoltaics: Basic Principles and Critical Aspects of System Design (Berlin: Springer-Verlag).
7. Milichko, V.A. (2016). Solnechnaia foto-vol'taika: sovremennoe sostoianie i tendentsii razvitiia [Solar photovoltaics: current state and development trends]. Uspekhi fiziches-kikh nauk. - Saccesses of physical sciences, 186, 8, 801-852 [in Russian].
8. Andreev, G. (1989). Fotoelektricheskoe pre-obrazovanie kon-tsentrirovannogo solnech-nogo izlucheniia. [Photoelectric conversion of concentrated solar radiation]. Leningrad: Nauka [in Russian].
9. Wei, C. Y. (2013). Efficiency improvement of HIT solar cells on p-type Si wafers. Materials, 6, 11, 5440-5446.
10. Hamakawa, Y. (2004). Thin-Film Solar Cells: Next Generation Photo-voltaics and Its Applications (Berlin: Springer).
Гнатов Андрш Вжторович, д.т.н., проф., тел. +38 066-743-08-87, [email protected]
Аргун Щасяна Валжовна, к.т.н., доц., тел. +38 0993780451, [email protected]
Дзюбенко Олександр Андршович, к.т.н., доц., тел. +38 0667684116 [email protected] кафедра автомобшьнот електрошки, Хар^вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 61002, Укратна, м. Хартв, вул. Ярослава Мудрого, 25.
DETERMINATION OF OPTIMAL LOAD PARAMETERS FOR EFFICIENT OPERATION OF SILICON SOLAR BATTERY
Hnatov A., Arhun Shch., Dziubenko O., KhNAHU
Abstract. Problem. Currently, the most commonly used method is the so-called direct method of converting solar radiation into electric current using a variety of solar batteries (SB). The most widely used in the application were silicon SB. Consequently, the question arises as to which optimal parameters should have an electrical load in order to ensure the efficient operation of SB. Goal. Determination of the
optimal active load parameter for monocrystalline and polycrystalline SB, which meets the criterion for transmitting maximum power to load. Methodology. The analytical methods of research on the development and application of methods and devices for transforming the energy of the sun into electricity were used. Experimental methods of research and mathematical methods of processing experimental research were used. Results. The analysis of existing types of silicon SB is carried out, their classification is presented. The determination of the optimal active load parameter for monocrystalline and polycrystal-line SB is carried out, which corresponds to the criterion of transfer of maximum power to load. The results of experimental studies are presented as voltampere characteristics and the dependence of the power of SB on the load current. An analysis of the results of experimental studies showed that for the most efficient operation of the SB, its active load should be maintained in the range from 3 ohms to 3,5 ohms. Originality. The method for determining the optimal electrical load parameters for silicon mono-crystal and polycrystalline SB has been improved. The method of correlation of electric loading of SB to their own active resistance is presented. Practical value. The obtained results allow us to determine the optimal electrical load parameters for silicon mono-crystalline and polycrystalline SB. If the types of SB in question are compiled into systems with a corresponding serial-parallel connection, then it is necessary to determine the internal resistance of such a system. Applying this principle, you can determine the optimal load parameters for any silicon solar system.
Key words: energy-saving technologies, solar battery, solar cell, alternative sources of electricity, solar energy.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗКИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Дзюбенко А.А., ХНАДУ
Аннотация. Определены оптимальные параметры активной нагрузки для монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей (СБ), соответствующие критерию передачи максимальной мощности в нагрузку. Раскрыта и проанализирована классификация СБ. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде вольт-амперных характеристик и зависимости мощности СБ от тока нагрузки.
Ключевые слова: энергосберегающие технологии, солнечная батарея, солнечный элемент, альтернативные источники энергии, потребление энергии солнца, солнечная панель.
