Введение Целью настоящего исследования является разработка способов повышения эффективности фотоэлектрических элементов за счет применения плоских концентраторов, выбора рациональной конструкции и взаимного расположения адаптирующей и отражающей поверхности при оптимальной площади проникновения солнечных лучей. Компактность солнечных батарей, созданных на основе исследуемых нами конструктивных решений, позволит значительно снизить массогабаритные характеристики, что весьма актуально при эксплуатации солнечных батарей на морских платформах, судах морского и речного назначения, маяках, судовых и береговых объектах и комплексах, имеющих ограниченные рабочие площади. Поставленная нами цель достигается решением следующих задач: - выбор качественных, недорогих и технологичных в изготовлении фотоэлементов; - обеспечение максимального освещения фотоэлемента в целях получения максимального коэффициента концентрации солнечного излучения на адаптирующую поверхность; - определение рационального способа расположения фотомодулей в плоских зеркалах, а также нахождение оптимальных углов раскрытия зеркал. Для автономного снабжения электрической энергией объектов различного назначения, значительно удаленных от промышленных энергосетей, перспективным направлением является применение и использование солнечной энергии путем преобразования ее в фотоэлектрических батареях [1]. Из известных способов преобразования солнечной энергии наиболее эффективным и проверенным считается фотоэлектрический, с помощью полупроводниковых солнечных элементов. Анализ фотоэлектрических модулей Наиболее распространенным типом фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в настоящее время являются системы на основе поли- и монокристаллического кремния (рис. 1). Кремний занимает второе место по распространенности после кислорода среди всех химических элементов на Земле. Но, являясь самым удобным сырьем для фотоэнергетики, от получения и обработки до «солнечного качества» кремний проходит долгий путь, который содержит ряд технологических процессов, требующих значительных энергетических затрат. кремний Рис. 1. Структура производства фотоэлектрических преобразователей по виду технологии и используемых материалов (данные 2012 г.) [2] Монокристаллические кремниевые солнечные элементы (рис. 2, а) производятся из кремниевых пластин толщиной 0,3 мм путем их легирования донорными и акцепторными примесями, создания омических контактов (сплошного тыльного и решеточного лицевого) и направленного химического травления поверхности для создания антиотражающих свойств [2]. Рис. 2. Классификация фотоэлектрических преобразователей: а - монокристаллический кремний; б - поликристаллический кремний; в - аморфный кремний; г - теллурид кадмия Солнечные элементы, разработанные на основе монокристаллов, обладают самым высоким КПД среди всех существующих кремниевых пластин (16-20 %). В связи с тем, что ячейка обладает однородной структурой, солнечные лучи равномерно освещают всю ее поверхность, не поддаваясь рассеиванию на кристаллических неровностях, они также равномерно преобразуются в электроток. Иными словами, эффективность данной ячейки находится только под влиянием свойств самого кристалла, она не убывает от вторичных отражений лучей (что характерно для полипластин). Поликристаллические фотопреобразователи коммерчески более привлекательны (рис. 2, б). Поликристаллические кремниевые солнечные элементы по технологии изготовления принципиально не отличаются от монокристаллических. Основное отличие заключается в том, что для их производства применяется менее чистый и более дешевый кремний. Различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (содержание примесей менее 1×10-10 %) и поликремний «солнечного» качества (содержание примесей менее 1×10-5 %) [2]. Создание поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. В отличие от производства монокристаллов стадия вытягивания отсутствует, что делает весь процесс менее энергоемким и, соответственно, менее затратным. Однако внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделенные зернистыми границами, ослабляющие эффективность элементов (13-16 %). На рынке также широкое распространение получили и тонкопленочные ФЭП, создаваемые из аморфного кремния (рис. 2, в) [3]. Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния производятся осаждением пленок кремния на стеклянную или стальную поверхность (с нанесением характерных защитных и промежуточных покрытий). Осаждение производится способом пиролиза моносилана или его плазмохимического разложения. Пленки легируют бором и фосфором для осуществления проводимости разных видов. В таких модулях не используются кристаллы, они представляют собой тонкопленочные солнечные элементы сложной структуры, корнем технологического процесса изготовления которых является послойное нанесение всевозможными способами подходящих соединений тонких пленок [4]. КПД таких ФЭП невелик (6-10 %), но относительно низкая стоимость - их преимущество на рынке. Фотоэлектрические преобразователи на основе теллурида кадмия (CdTe), обладая большим КПД (10-12 %), чем ФЭП из аморфного кремния, токсичны, что не дает им широко распространиться на рынке (рис. 2, г). Методы нанесения теллурида кадмия весьма разнообразны, что открывает широкие возможности для оптимизации и удешевления солнечных элементов. Среди этих методов наиболее перспективными являются вакуумная сублимация, методы химического осаждения, напыление, электроосаждение [5]. Наилучшие характеристики в настоящее время показывают CdTe-солнечные элементы, изготовленные по CBD/CSS технологии. С целью упорядочения нанесенных тонких пленок и повышения КПД солнечного элемента тонкие пленки после нанесения подвергаются высокотемпературному отжигу при 400-500 °С для образования Cd(S, Te)-контактного гетероперехода. Фотоэлектрические преобразователи на основе CdTe имеют вполне оптимальные параметры для фотовольтаического преобразования солнечного света: большой коэффициент оптического поглощения (~105 см-1) в видимом диапазоне и почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом. Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает ~ 90 % солнечного излучения. Все это говорит о том, что возможности таких ФЭП являются достаточно перспективными для усовершенствования и оптимизации технологии производства и, следовательно, для снижения их себестоимости. Существуют также и другие ФЭП, отличающиеся по видам технологии и используемым материалам, но по ряду причин они не получили должного распространения и их производство весьма ограничено. Примером может послужить ФЭП на основе AIIIBV соединений (цифры обозначают, из каких групп находятся в этом полупроводниковом соединении химические элементы). У таких ФЭП довольно высокий показатель КПД (25-30 %), но их производство отличается сложностью и низкой экологичностью. Кроме того, химические элементы, используемые в ФЭП данного типа, относятся к категории редко встречающихся на Земле [11], поэтому такие ФЭП, в связи с их высокой радиационной стойкостью и высоким КПД, используются в основном для получения энергии в космосе. Не так давно на рынке появился и совершенно новый вид ФЭП, при создании которых используются полупроводниковые наночастицы: нанопроволоки, нанопалочки, наноточки. При уменьшении размеров полупроводниковых наночастиц (начиная с определенного значения, характерного для каждого типа полупроводника) наблюдается увеличение запрещенной зоны и сдвиг оптического спектра в коротковолновую область, поэтому использование многослойных тонкопленочных систем с нанокристаллической структурой в настоящее время является перспективным направлением. Таким образом, внедрение эффективных, недорогих, компактных фотоэлектрических элементов на морских и береговых объектах позволит создать комфортные технологические условия обеспечения их электроснабжением. Способы повышения эффективности фотоэлектрических преобразователей Повысить эффективность работы гелиоэнергетических устройств на основе фотоэлементов можно путем применения плоских зеркальных концентраторов солнечной энергии и совершенствования их конструкций посредством определения оптимальных геометрических размеров и совершенствования форм адаптирующей поверхности гелиоприемников [7, 8]. При этом возможно снижение компоновки энергетического оборудования, что немаловажно для использования на отдельных объектах: морских платформах, береговых или горных станциях, на крышах административных зданий и элитных коттеджей. Концентраторы позволяют фокусировать рассеянную энергию на адаптирующую поверхность в форме радиационно-частотного энергетического потока, повышающего мощность устройств и уровень потенциала их теплофизических характеристик. Уровень энергетического воздействия при этом увеличивается на несколько порядков. Градиент температурного распределения на инсолирующей поверхности может достигать критических параметров. Создание эффективных концентраторов позволит выйти на новый уровень в производстве и использовании энергоэффективной техники, откроет новые возможности для создания на их основе современных энергосберегающих технологий и новые перспективы внедрения солнечной энергетики. Нами рассмотрена конструкция адаптирующего устройства, имеющего форму правильного треугольника с установленными в центре двумя зеркальными поверхностями (рис. 3). Основные геометрические параметры такого концентратора связаны аналитически через длину адаптирующего устройства а и фиктивный угол раскрытия зеркал θ. Рис. 3. Расчетная модель для определения коэффициентов концентрации на адаптирующее устройство треугольной формы при W = 4a и Q = 45° Аналитические исследования Исследовалась эффективность облучения поверхности адаптирующего устройства прямой и отраженной от зеркал энергией солнечной радиации при различных величинах входящего через поверхность W потока в концентратор. Длина адаптирующего устройства а была постоянной. Изменялись величины W входящего потока при различных соотношениях W (2а; 3а; 4а) и углах раскрытия зеркал θ (30°; 45°; 60°; 90°). На рис. 3 представлена расчетная модель с W = 4а и θ = 45°. Геометрические параметры всех элементов концентратора связаны между собой следующими тригонометрическими выражениями через а и θ: где L - длина одного зеркала; Н - высота концентрирующего устройства; h - фиктивная высота. Аналогичные модели были построены и для других геометрических соотношений концентраторов. В аналитическом исследовании принимались следующие допущения: - площади концентратора, ввиду их одинаковых значений по длине, в расчетной модели заменены профилями конструкции; - угол падения солнечных лучей на зеркальные поверхности равен углу отражения от нее; - солнечные лучи падают строго параллельно плоскости симметрии модели концентратора; - вся энергия солнечной радиации полностью отражается от зеркальных поверхностей и полностью поглощается площадями адаптирующей поверхности независимо от углов отражения и поглощения солнечных лучей [8]. Эффективность работы концентратора оценивалась через оптический коэффициент концентрации, равный отношению солнечной энергии, падающей на всю поверхность адаптирующего устройства (по геометрическому расчету а + а + а = 3а), к поверхности одной стороны а: где n - доля солнечной энергии, облучающей адаптирующее устройство. Для модели (рис. 3) оптический коэффициент концентрации выражается следующим соотношением: где а - прямое попадание солнечных лучей на верхнюю поверхность а адаптирующего устройства; 2а - отражение солнечной энергии от зеркал на верхнюю поверхность а и боковые поверхности а адаптирующего устройства; 2pm - двойное отражение солнечной энергии от зеркал на боковые поверхности а адаптирующего устройства: В результате расчета эффективности таких концентраторов получены величины, представленные соответствующими точками на рис. 4. По вертикали указаны значения коэффициентов оптической концентрации СОЭ, а по горизонтали - углы раскрытия зеркал θ. Рис. 4. Графики значений оптических коэффициентов концентрации на адаптирующую поверхность треугольной формы при облучении двумя зеркалами Расчетные точки оптических коэффициентов эффективности можно связать расчетными зависимостями через политропные выражения, тогда для W = 2a будет соответствовать уравнение для W = 3a: для W = 4a: Графики имеют явные экстремальные значения в пределах углов раскрытия зеркал, равных 40-50°, максимальные значения при W = 4а, СОЭ = 5,78. Заключение Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы. Фотоэлементы, выполненные из поликристаллического кремния, можно рекомендовать как наиболее перспективные. В ходе исследования установлено, что при перпендикулярном облучении треугольных равносторонних конструкций адаптирующих устройств эффективными являются следующие параметры концентраторов: W = 4а; θ = 45-50°. В этом случае, при одинаковой компактности известных устройств и исследуемых нами, энергетическая эффективность последних возрастает на 40 %, а номинальная стоимость снижается на 25 %. Стабильность исследуемых параметров в таких конструкциях достигается применением следящих за солнечным потоком систем. В настоящее время солнечные батареи, выполненные на основе исследуемых конструкций, можно рекомендовать к установке на судах и использовать их в качестве источников энергии для радиостанций, судовой бытовой техники, освещения и сигнализации на стоянках судов в портах, не прибегая к подключению берегового питания.