Моделирование солнечных батарей на основе различных полупроводников

Скачать

Солнечная батарея как объект моделирования. Общие принципы построения и отладки математической модели солнечных батарей. Кристаллические полупроводниковые материалы. Рекомендации по построению фотоэлектрических систем космического и наземного назначения.

Размер: 451,5 K
Тип: автореферат
Категория: Коммуникации и связь
Скачать

Другие файлы:

Бортовые энергосистемы космических аппаратов на основе солнечных и химических батарей
В книге рассмотрены принцип действия солнечных батареи, их применение в космических аппаратах. Принципы построения солнечных батарей космического назн...

Справочник по проектированию солнечных батарей
В книге Г. Раушенбаха, сотрудника калифорнийской авиакосмической фирмы "Томсон - Рамо - Вулдридж", рассмотрены вопросы, связанные с принципами устройс...

Оптика и метрология солнечных элементов
Представлены оптические и электрические характеристики солнечных элементов и батарей из различных полупроводниковых материалов. Рассматриваются сп...

Тонкопленочные солнечные элементы
Монография индийских специалистов, посвященная тонким пленкам на основе полупроводниковых материалов, используемым в качестве солнечных элементов. Изл...

Солнечные электростанции: усовершенствование технологий
Обзор технологий и развитие электроустановок солнечных электростанций. Машина Стирлинга и принцип ее действия. Производство электроэнергии с помощью с...


Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

На правах рукописи

Фролкова Наталья Олеговна

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Моделирование солнечных батарей

на основе различных полупроводников

Специальность 05.27.01 - «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

Москва 2011г.

Работа выполнена в филиале ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (Технический университет)» г. Смоленска.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Абраменкова Ирина Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Воронков Эдуард Николаевич

доктор технических наук, профессор

Мурашёв Виктор Николаевич

Ведущая организация:

Национальный исследовательский университет МИЭТ

Защита диссертации состоится «26» апреля 2011 г. в аудитории К-102 в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

С текстом автореферата можно ознакомиться на официальном сайте Московского энергетического института

Автореферат разослан «25» марта 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу 111250 Москва ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.06,

д.т.н., профессор Мирошникова И.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Преобразование солнечной энергии в электричество является наиболее перспективным и активно развиваемым направлением возобновляемой энергетики. Солнечная энергия широко доступна, обладает практически безграничными ресурсами, при ее фотоэлектрическом преобразовании не происходит загрязнения окружающей среды. Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую используется явление фотоэффекта в солнечных элементах (СЭ) на основе структуры с p-n переходом. На сегодняшний день максимальная эффективность некоторых типов полупроводниковых СЭ составляет более 30 %.

Единичные фотоэлементы генерируют ограниченную мощность. Для получения требуемых энергетических характеристик элементы объединяют последовательно между собой в модули и последовательно-параллельным способом в батареи. Мощность модулей и батарей складывается из выходных мощностей отдельных СЭ. В зависимости от технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей, существуют различные виды солнечных батарей. Наиболее широко распространены кристаллические фотоэлектрические преобразователи, изготовленные из моно- или мультикристаллического кремния, а также тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния, теллурида кадмия, арсенида галлия, фосфида индия и некоторых других соединений. На сегодняшний день доля кристаллических солнечных элементов составляет около 93 %, а тонкопленочных - около 7 %. Ведутся разработки по применению концентраторных и электрохимических солнечных элементов.

Первое практическое использование кремниевых солнечных батарей (СБ) для энергетических целей имело место в околоземном космическом пространстве. Солнечные батареи и сегодня остаются основным источником электроэнергии для космических аппаратов, поскольку необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Работа в космосе предъявляет к СЭ очень жесткие и подчас противоречивые требования. Сокращение сроков разработки и улучшение эксплуатационных характеристик систем электроснабжения космических аппаратов выдвигает на первый план необходимость создания эффективных методов проектирования подобных систем, в частности, предсказания и анализа работы солнечных батарей под действием разнообразных факторов окружающего пространства в статическом и динамическом режимах нагрузки.

Темпы роста и планы развития наземной солнечной энергетики, намечаемые промышленно развитыми станами, впечатляют масштабностью. К 2031 г. в мире планируется иметь совокупную установленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700 ГВт (для сравнения: в 2004 г. 1256 МВт). Если сегодня фотовольтаика занимает менее 1 % в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2040 г. эта доля должна возрасти до 30 %. В России наземная солнечная энергетика на текущий момент является активно развивающейся отраслью. Имеются проекты по созданию фотоэлектрических солнечных электростанций, развиваются технологии производства СЭ и СБ.

Широкое внедрение солнечной энергетики в космосе и на земле ставит перед проектировщиками проблему оценки эффективности работы фотоэлектрических систем (ФЭС). Необходимо иметь возможность предсказать мощность солнечных батарей под действием разнообразных факторов окружающей среды, сравнить эффективность использования СБ из различных материалов, оценить поведение фотоэлектрических преобразователей в различных режимах работы. Для эффективного использования фотоэлектрических генераторов необходимо знать точку максимальной мощности и обеспечить такой режим, чтобы отдаваемая мощность при изменении окружающих условий была наибольшей. При отработке ФЭС используют имитаторы солнечных батарей, позволяющие воспроизводить характеристики СБ под влиянием разнообразных внешних воздействий.

Предсказание поведения и воспроизведение характеристик СЭ и СБ осуществляется с помощью моделирования. По сравнению с экспериментом, математическое моделирование предоставляет более быстрый, гибкий и дешевый способ отработки ФЭС. Для воспроизведения характеристик СЭ и СБ чаще всего используются аналитические модели, которые строятся на базе эквивалентной электрической схемы и основного уравнения СЭ. Работы по моделированию характеристик СБ активно ведутся за рубежом, результаты исследований рассматриваются на регулярно проводимых конференциях по фотовольтаике. Вследствие перспективности внедрения солнечной энергетики вопрос моделирования СБ интересует и российских исследователей.

Известные аналитические модели позволяют воспроизводить изменение выходных характеристик СЭ и СБ под действием различных температур и уровней освещенности, но не учитывают других значимых факторов. Не принимаются во внимание неидеальность СЭ, конструктивные особенности батарей, необходимость воспроизведения характеристик СБ из различных материалов. Вместе с тем, для использования предлагаемых моделей требуется проведение дополнительных экспериментов, позволяющих определить их входные параметры.

Целью диссертационного исследования явилось создание модели солнечных батарей для фотоэлектрических систем и имитаторов СБ на базе доступных данных производителей с учетом комплексных воздействий, приводящих к изменению выходных характеристик батарей. Для построения модели необходимо было решить ряд задач:

1. Разработать алгоритм моделирования солнечных батарей из различных полупроводниковых материалов.

2. Обеспечить воспроизведение моделью характеристик СБ под действием различных уровней освещенности, учитывая спектральные характеристики СЭ и воздействие света различного спектрального состава. Предусмотреть в модели возможность затенения солнечной батареи и оценить влияние потерь солнечного излучения на энергетические характеристики СБ.

3. Предусмотреть возможность моделирования вольтамперной (ВАХ) и вольтваттной (ВВХ) характеристик солнечных батарей в допустимом диапазоне рабочих температур.

4. Обеспечить воспроизведение в модели изменений ВАХ и ВВХ СБ под влиянием ионизирующего излучения и учет разброса технологических параметров и старения СЭ.

5. Предусмотреть в модели возможность оценки емкости СБ для воспроизведения динамических режимов в нагрузке батарей.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований явились солнечные элементы и батареи из различных полупроводниковых материалов. Методологическую основу диссертационной работы составляют общенаучные методы познания, такие как научная абстракция, анализ и синтез, системный и структурный подходы, а также математическое моделирование. В исследовании применялись методы математического анализа, предметно-логического и структурно-функционального анализа, методы визуального программирования. В ходе работы использованы пакеты программ моделирования DesignLab и Matlab Simulink.

фотоэлектрический солнечный батарея полупроводниковый

Научная новизна работы

1. Разработана оригинальная математическая модель солнечных батарей, позволяющая наглядно и обозримо провести моделирование набора свойств СБ. В моделировании предложен способ учета разброса технологических параме...