Наземные солнечные энергоустановки на основе каскадных фотопреобразователей и концентраторов излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Наземные солнечные энергоустановки на основе каскадных фотопреобразователей и концентраторов излучения

В.Д. Румянцев, д.ф-м.н., В.М. Андреев, д.т.н., Ю.В. Ащеулов, к.ф-м.н., Н.Ю. Давидюк, к.ф-м.н., В.Р. Ларионов, к.ф-м.н., Д.А. Малевский, П.В. Покровский, Н.А. Садчиков, к.ф-м.н., А.В. Чекалин

г. Санкт-Петербург

Введение

На протяжении последних десяти лет в мире формируется новая отрасль электроэнергетики, основанная на применении полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечного излучения. Преимущества этого способа удовлетворения энергетических потребностей человечества для грядущих поколений трудно переоценить, имея в виду не только экономические и экологические аспекты, но также политические и социальные. В частности, существенными факторами становятся такие не учитываемые ранее, как наличие в странах ресурсов солнечной иррадиации, а также возможность распределенной генерации электроэнергии миллионами частных производителей.

Установленная в мире полная мощность устройств солнечной электроэнергетики к началу 2013 года составляла 101 ГВт, а к концу года - уже 140 ГВт, приближаясь к установленной мощности всех электростанций России. В Евросоюзе мощность вновь установленных солнечных электростанций в 2012 году составила 17 ГВт, что составляет примерно половину всех вновь введенных мощностей электростанций всех других типов. Следует отметить, что суммарно в России за тот же период было введено примерно 6 ГВт новых электрогенерирующих мощностей при ничтожной доле устройств солнечной электроэнергетики. Кристаллический кремний остается в мире основным материалом солнечных модулей: на его основе изготавливаются около 83 % всех модулей, около 14 % - на основе тонкопленочных структур, и около 3 % - на основе других типов, включая рассматриваемые в настоящей работе модули, преобразующие концентрированное солнечное излучение [1, 2]. В концентраторных модулях нового поколения используются ФЭП каскадного типа с наногетероструктурой, объединяющей в одном монокристалле три фотоактивные области GaInP/GaInAs/Ge с соединенными последовательно р-п переходами [3, 4]. Благодаря внутреннему расщеплению солнечного спектра и оптимальному преобразованию излучения в каждом из трех спектральных интервалов достигнутые значения КПД имеют значения порядка 40 % .

Масштабное применение высокоэффективных каскадных ФЭП в наземной электроэнергетике возможно только при их совместном использовании с недорогими в производстве оптическими компонентами, концентрирующими излучение на сравнительно малой поверхности чипа фотопреобразователя. При применимых на практике кратностях концентрирования излучения 500 ч1000х и более результирующая экономичность определяется высокими значениями КПД, превышающими в 2 - 3 раза КПД СЭ других типов, радикальным снижением расхода полупроводниковых материалов за счет концентрирования излучения, а также повышенной выработкой электроэнергии в течение светового дня за счет слежения за солнцем. Будучи наиболее высокотехнологичным, данное направление получило более позднее развитие по сравнению с другими направлениями солнечной электроэнергетики, однако оно имеет и наиболее высокий потенциал для дальнейшего роста эффективности. Ожидается, что реальные значения КПД фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения порядка 50 % смогут быть достигнуты в течение ближайших нескольких лет в 4ч6-каскадных структурах [5]. Однако следует понимать, что для обеспечения высокого результирующего КПД фотопреобразования энергоустановок и длительного ресурса функционирования важно также обеспечить оптимальное с точки зрения оптики и теплотехники конструирование модулей и систем слежения за солнцем.

Конструктивный облик солнечного концентраторного модуля ФТИ

Важнейшим компонентом концентраторного модуля является непосредственно концентратор. В мировой практике в основном используются концентраторы в виде линз Френеля, изготовленные из прозрачного акрилового материала методом горячей штамповки. Акрил прозрачен в видимой области, но имеет полосы поглощения в ближней ИК области спектра. В качестве альтернативного материала для изготовления линз Френеля в модулях ФТИ предложено применять прозрачный силиконовый компаунд [6]. Механической основой линзовой панели в этом случае служит лист силикатного стекла, являющегося дешевым высокопрозрачным материалом, стойким к абразивному воздействию. На внутренней стороне стекла располагается тонкий слой силикона, в котором формируется профиль френелевских линз. Полимеризация силиконового компаунда может происходить при температурах, близких к комнатной, и не требует оборудования, создающего давление. Расход силикона в пленочном исполнении минимален, что обеспечивает дешевизну линзовых панелей.

Рис. 1. Схематический разрез фрагмента солнечного концентраторного модуля, разработанного в ФТИ. Размеры линз 40 х 40 или 60 х 60 мм2.

Теплоразводящие пластины и ФЭП герметизированы ламинирующей пленкой. В модуле, имеющем фронтальную панель линзовых концентраторов, солнечные элементы также объединяются в фотоприемную панель, отстоящую от линзовой панели на расстоянии, равном фокусному расстоянию линз. Таким образом, формируется концентраторный модуль панельного типа с «малоразмерными» единичными «субмодулями». Материал фотоприемной панели должен иметь теплопроводность, удовлетворяющую условию достаточного отвода тепла от ФЭП. Он должен быть согласован по коэффициенту термического расширения с материалами основных конструктивных компонентов модуля. В модулях, созданных в ФТИ [6, 7], в качестве основного конструкционного материала фотоприемной панели используется обычное листовое силикатное стекло, такое же, как и для фронтальной линзовой панели. Схематический разрез фрагмента такого модуля представлен на рис. 1. Теплоразводящие пластины для монтажа ФЭП изготавливаются из листовой стали. Применение материалов со сравнительно низкой теплопроводностью оказывается возможным благодаря выбору оптимальных геометрических параметров «малоразмерных» единичных субмодулей в составе модуля «панельной» конструкции. Для минимизации роли стекла в процессах теплопередачи теплоразводящие пластины с ФЭП располагаются на внешней стороне тыльной стеклянной пластины модуля. При этом стеклянная пластина является одновременно и механической основой фотоприемной панели, и интегральным защитным окном для всех ФЭП в модуле.

Благодаря малой высоте профиля теплоотводов в модуле рис. 1, герметизация и защита ФЭП от воздействия внешней среды осуществляется простым способом, состоящим в использовании ламинирующей пленки. Таким образом, технология изготовления концентраторных модулей оказывается подобной той, которая существует для производства плоских модулей, причем с возможностью применения разработанного к настоящему времени высокопроизводительного специализированного оборудования раскладки и ламинирования. Теплоразводящие пластины с ФЭП, если их рассматривать как сборочную единицу, сравнимы по величине с пластинами СЭ на основе кремния в плоских модулях (см. левую фотографию на рис. 2). На задней стороне модуля располагается стандартная коммутационная коробка (см. правую фотографию на рис. 2) для электрического подключения концентраторного модуля на энергоустановке. Таким образом, выполняются стандартные требования к электробезопасности солнечных модулей и энергоустановки в целом.

Рис. 2. Концентраторный модуль ФТИ

На рис. 2, слева - фотография стальных теплоразводящих пластин, на каждой из которых методом пайки смонтированы восемь параллельно соединенных чипов ФЭП диаметром 2.3 мм и два байпасных диода. Справа - фотографии концентраторного модуля ФТИ в сборке: вид со стороны линзовой панели и вид со стороны ламинированной фотоприемной панели с закрепленной на ней стандартной коммутационной коробкой. Размеры фотоприемной поверхности 480 х 960 мм2, выходное напряжение модуля 48 В (последовательное соединение шестнадцати пластин с СЭ).

Потери на отражение в фотоприемной панели можно в значительной степени снизить при использовании антиотражающих покрытий. В связи расширяющимся при-менением солнечных модулей различных типов проблема снижения коэффициента отражения от стеклянных поверхностей получила ряд экономичных решений. Обе сто-роны фотоприемной панели не имеют контакта с окружающей средой, так что воз-можно применение покрытий с наилучшими антиотражающими свойствами. В табл. 1 приведены значения основных фотоэлектрических параметров тестового концентра-торного модуля, в котором имелась возможность использования различных модификаций фотоприемной панели. При использовании пластины с двухсторонним антиотражающим покрытием потери на отражение уменьшаются в два раза. Заметим, что измеренное при этом значение КПД модуля 29,2 % получено при использовании в нем ФЭП с исходными значениями КПД порядка 36 ч 37 %. Применение вводимых в практику ФЭП с эффективностью порядка 42 ч 43 % позволит получить значения КПД модуля на уровне 34 %. Оценка перегрева р-п переходов ФЭП в концентраторных модулях конструкции ФТИ показала, что при интенсивности солнечной засветки 850 Вт/м2 и скорости ветра порядка 1 м/с он составляет 50 ч 52є C в режиме холостого хода и 33 ч 35є C в режиме включения на оптимальную нагрузку. Таким образом, благодаря высокому КПД фотопреобразования имеет место эффект «электрического охлаждения» ФЭП в рабочем режиме.

Таблица 1

В табл. 1. показаны значения тока короткого замыкания (IКЗ), напряжения холостого хода (UХХ) фактора заполнения вольт-амперной характеристики (ФЗ) и КПД для экспериментального концентраторного модуля (12 линз Френеля 40х40 мм2 и столько же соединенных параллельно трехпереходных СЭ со структурой GaInP/GaInAs/Ge).

Энергоустановки с концентраторными модулями

солнечный энергоустановка фотопреобразователь излучение

Для того чтобы концентраторные системы смогли занять подобающее место на рынке крупных солнечных электростанций, необходимо использовать технически совершенные и недорогие системы для размещения модулей и слежения за солнцем. В ФТИ разрабатываются два варианта таких систем - для размещения на открытых территориях и размещения на крышах зданий. Они характеризуются рядом общих черт, таких как ступенчатое расположение модулей, снижающее ветровые усилия на конструкцию, расположение всех элементов азимутального и зенитального слежения в одном узле, и некоторые другие. Первая общая особенность это высокая точность слежения, превышающая 0.1 градуса, реализуемая за счет жесткости рамной конструкции и прозрачности для ветра. На рис. 3 показан принцип ступенчатого расположения концентраторных модулей на установке слежения. Преимущество данного расположения заключается в уменьшении ветровых нагрузок в течение дня, а также симметричность положения рамы энергоустановки в двух крайних состояниях - в направлении на восход/закат и на зенит). Вторая общая черта установок - это использование больших зубчатых колес и секторов для финальных передаточных ступеней наряду с использованием относительно небольших червячных редукторов в обоих приводах. Это позволяет снизить стоимости системы при обеспечении точности слежения.

Фотографии двух солнечных энергоустановок для использования в условиях открытых пространств показаны на рис. 4. Установки имеют центральную опорную колонну, вокруг которой осуществляется вращение рамы с размещенными на ней модулями. Эта колонна должна быть закреплена в грунте, однако для монтажа в неблагоприятных условиях она может быть расположена на достаточно большой крестовине.

Рис. 3. Схема ступенчатого расположения модулей на установке слежения за солнцем с обозначением направлений потоков ветра и солнечного излучения в течение дня

Рис. 4. Фотографии экспериментальных солнечных энергоустановок, спроектированных для использования в условиях открытых пространств: слева - на общую мощность 1 кВт; справа - на мощность до 6 кВт (частично укомплектована концентраторными модулями размерами 0,5 х 1 м2).

Фотографии двух установок карусельного типа, спроектированных для размещения на плоских крышах зданий, показаны на рис. 5. Одна из них (рис. 4, слева) снабженная роликами, движущимися по кольцевой направляющей, приподнята над поверхностью для исключения возможного заноса снегом. Вторая установка движется по плоской поверхности при помощи шести колес, два из которых, расположенные на одной диагонали, являются ведущими, вращающимися друг относительно друга в противоположных направлениях.

Работа установок полностью автоматическая. Процесс движения за солнцем при облачной погоде и в течение ночного периода (возвращение из положения «на закат» в положение «на восход») осуществляется по программе. Аналоговый солнечный датчик с обратной связью обеспечивает позиционирование рамы с модулями по направлению на солнце с точностью выше, чем 0.05 углового градуса. Механический привод разработан таким образом, что энергоустановки могут работать в экваториальном поясе, где северный и южный рабочие секторы перекрываются. Мотор-редукторы азимутального и зенитального приводов располагаются в одном защищенном кожухе, удобном для обслуживания. В этом же кожухе располагаются все платы управления, датчики положения рамы и элементы защиты.

Рис. 5. Фотографии экспериментальных солнечных энергоустановок, спроектированных для размещения на плоских крышах зданий: слева - на мощность 1 кВт; справа - на мощность 10 кВт.

Заключение

Перечислим основные преимущества разработанных концентраторных фотоэнергоустановок, обеспечивающие конкурентоспособность на рынке наземной солнечной фотоэнергетики:

· Использование фотопреобразователей с КПД более 40 % при преобразовании концентрированного солнечного излучения.

· Тысячекратное концентрирование солнечного излучения с помощью линз Френеля и соответствующее снижение площади и удельной стоимости фотопреобра-зователей, что приводит к снижению стоимости энергоустановок.

· Увеличение более чем в 2,5 раза количества электроэнергии, вырабатываемой с единицы площади СФЭУ за счет большей эффективности и слежения за Солнцем по сравнению со стационарными кремниевыми и тонкопленочными солнечными батареями.

Литература

1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения (монография). Л.: Наука, 1989, 310 стр.

2. Andreev V.M, Grilikhes V.A, Rumyantsev V.D Photovoltaic Conversion of Concentrated Sunlight. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd, 1997.

3. Alferov Zh.I., Andreev V.M., Rumyantsev V.D. III-V heterostructures in photovoltaics // Concentrator Photovoltaics // Springer Series in Optical Sciences. 2007. Vol. 130. P. 25 - 50.

4. Андреев В.М. Нанотехнологии для солнечной фотоэнергетики // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2 (46). C. 93 - 98.

5. A. Luque, “Will we exceed 50 % efficiency in Photovoltaics”, Journal of Applied Physics, 110, 031301, (2011).

6. V.D. Rumyantsev “Solar concentrator modules with silicone-on-glass Fresnel lens panels and multijunction cells”, Optics Express. Vol. 18. Issue S1, pp. A17 - A24, 2010. http://www.opticsinfobase.org/oe/search.cfm.

7. V. D. Rumyantsev, V. M. Andreev, A. V. Chekalin, N. Yu. Davidyuk, O. A. Im, E. V. Khazova, and N. A. Sadchikov «Progress in developing HCPV modules of SMALFOC-design”. AIP Conference Proceedings 1556, 185 (2013); doi: 10.1063/1.4822227.

Размещено на Allbest.ru