Энергетические установки на основе солнечных фотопреобразователей

1. Энергетические установки на основе солнечных фотопреобразователей

2.

Анализ возможных типов солнечных энергоустановок
Принципиальная схема солнечного машинного преобразователя
1
излучение
2
TГ
3
4
TХ
5
1- концентратор, 2- высокотемпературный источник
(парогенератор), 3- турбина, 4- электрогенератор, 5холодильник- излучатель

3.

Структурная схема солнечного машинного преобразователя
DК
DПР
EC=1400 Вт/м2

4.

ген
TГ T Х
T
1 Х
TГ
TГ
Падающая от Солнца на площадь концентратора FК энергия равна:
QС = qС FК
Генератор получит энергию:
Q ГЕН = qС FК r AS
r AS Отражательная и поглощательная способности поверхности
Все нагретые до температуры T тела с излучательной способностью с
площади излучения приемника FПР излучают энергию согласно закона
Стефана-Больцмана:
Q ИЗЛ = о FПР T 4
Следовательно, КПД концентратора можно оценить как отношение энергии,
полученной приемником к энергии, полученной концентратором от Солнца:
4
Fпр T 4
Qг ен Qизл qс Fк r AS Fпр T
конц
r AS
Qс
qс Fк
qс Fк

5.

Анализ показывает, что по мере увеличения температуры генератора и
увеличения его КПД, КПД концентратора уменьшается вследствие больших
потерь на излучение T4
ήК
0,8
0,6
TГ=2000K
0,4
TГ=1500K
0,2
TГ=1000K
500
700
900
TХ, К
для получения высоких температур требуется узкий допуск на ориентацию
на Солнце.
Пример: 1) при = 1 TГ 1000K, 2) при = 15 TГ 1200K,
следствием чего является необходимость увеличения жесткости и массы
системы концентрации и исполнительных органов системы ориентации.

6.

Солнечные фотопреобразователи
Наиболее широкое применение в качестве устройств непосредственного
преобразования солнечного света в электроэнергию нашли кремниевые
фотопреобразователи (ФП). Это обусловлено следующими обстоятельствами:
1. Это один из самых распространенных элементов в земной коре 26% после
кислорода, составляющего 41%. Технология получения пластин ФП стоит
дорого. Следующим по эффективности полупроводниковым материалом,
пригодным для изготовления ФП является арсенид галлия, который еще более
дорогой, т.к. очень мало распространен в природе.
Галлий Ga (лат. Gallia - Франция) – содержание в земной коре 10- 4 %.
Арсенид As (греч. arseny - мужчина) – содержание в земной коре 5*10-4 %.
Космическая распространенность 4 атома As на 106 атомов Si
2. Кремний подходит для преобразования солнечного света по своим оптическим
характеристикам.
100%
отражение-20%
поглащение~70%
пропускание~2÷20%

7.

3. У солнечного спектра наибольшая выходная электрическая мощность
получается у тех полупроводников, ширина запрещенной зоны которых
лежит в пределах 1 1.5 эВ
24
20
16
12
8
Si=1,12 эВ
4
0,4
0,8
1,2
1,6
h > E
E
1,8
Eg,
эВ

8.

После получения тонких пластинок кремния в нем формируется p-n переход
p-n-переход
В
Si
Si
p-проводимость
Р
Si
Si
В
Si
Si
n-проводимость
Р
Si
Кристалл p-типа
p-n-переход
Si
Кристалл n-типа

9.

свет
δ
3
t
2
5
1
4
t
L
В
Конструкция фотопреобразователя. 1-базовая область ФП, 2лицевой легированный слой, 3- лицевой электрод (контакт), 4тыльная часть ФП, покрытая металлическим электродом, 5- (р-п)
переход

10.

При использовании ФП важно получить максимальную мощность с единицы
его поверхности:
N УД
U I
S
где,
S - площадь лицевой поверхности ФП, S = B L SК;
SК - площадь контакта
Удельное сопротивление сильно легированного лицевого слоя СЛ 2 10-3 Ом см
всегда меньше удельного сопротивления базы Б 2 Ом см.
С учетом размеров: СЛ 4 мкм, а t 0.8 мм, сопротивление базы всегда меньше,
чем лицевого слоя.
Например: B 1 см, L 2 см, t 0.08 см.
Тогда сопротивление слоя:
RСЛ СЛ
B
2.5Ом
L
а сопротивление базы:
RБ Б
t
0.1Ом
B L

11.

ή
0,2
теоретически предельное значение
0,15
0,1
0,05
1950
1970
1990
год
Динамика роста КПД кремниевых фотопреобразователей

12.

Изменение стоимости ФП по данным США
Доллар/
Ватт
400
300
200
100
1950
1970
1990
год
Максимальный КПД фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии
теоретически может достигать величин 25%. В настоящее время в лучших
кремниевых ФП КПД достигает 15%, а в серийных экземплярах 10 12%

13.

Проектирование солнечных батарей
Вольт-амперная характеристика кремниевого ФП
I, мА
N
IКЗ
NMAX
40
ВАХ
N
30
20
10
Uопт
100
200
300
400
Uxx
500
600
U, мВ
Современные кремниевые ФП имеют IКЗ 40 мА и UХХ 550 мВ (0,55 В).

14.

Оптимальное напряжение при котором обеспечивается максимальная
мощность NMAX составляет UФП 0.4 0.5В. При номинальном напряжении в
СЭП 27В напряжение генератора должно составлять 28 32В, следовательно
необходимо последовательно соединить 70 80 элементов
При последовательном соединении элементов питания выходной ток не
превосходит уровня, характерного для худшего элемента цепи. Таким
образом, чтобы достичь максимальных характеристик, надо согласовывать
токи всех элементов цепи. Так как выходной ток зависит от площади ФП, то
при параллельном соединении, можно достичь такого же результата, как и
при увеличении площади одного ФП. Напряжение остается неизменным
0.4 0.5 В

15.

На практике ФП соединяют последовательно в секцию, которые затем
параллельно соединяются в группы, на основе которых и создаются
солнечные батареи в целом

16.

Если батарея состоит из nПОС последовательно и nПАР параллельно
соединённых элементов, то её напряжение: U= U1 nПОС, а вырабатываемый
ею ток: I = I1 nПАР, тогда мощность батареи определится:
NБАТАРЕИ = U I = U1 nПОС I1 nПАР = N1 nПОС nПАР
Масса батареи: M БАТАРЕИ= M1 nПОС nПАР
где, M1, N1- масса и мощность одного ФП.

17.

При работе с ФП сталкиваются с явлением, характерным только для них и не
имеющих места для обычных источников питания, которое называют
обратным смещением
RI

18.

Обозначения ГОСТ: ФКДП2030 – фотопреобразователь кремниевый,
изготовленный на основе дырчатой проводимости, прямоугольный,
размером 20мм 30 мм.
8ФКДП2030 – 8 последовательно соединённых элементов (секция).
10 [ 8ФКДП2030 ] – 10 параллельно соединённых секций по 8
последовательно соединённых ФП (группа)

19.

Наиболее эффективно ФКД работают при температуре 30 40 C
Равновесная температура определяется из условия, когда
поглощенное тепло равно излучённому:
QПОГЛ = QИЗЛ
где,
QПОГЛ = qC AS FОСВ
QИЗЛ = о FИЗЛ T4РАВ
Тогда равновесная температура излучения будет равна
TРАВ 4
AS qC FОСВ
FИЗЛ
Форма
Тела
FОСВ
FИЗЛ
1
0.5
0.318
0.318
0.25
Tрав, С
123
60
25
25
7

20.

Однако для БС эти цифры отличаются, т.к. ФП наносятся на поверхность
батареи с определённым коэффициентом заполнения КЗ=0.8 0.9
фотопреобразователи
промежутки
тыльная сторона

21.

Тогда для БС уравнение теплового баланса видоизмениться
TРАВ 4
qC K З AS фп (1 K З ) AS пр K З T
0 K З фп (1 K З ) ПР ТЫЛ
90 C
o
Если при нормальной температуре 30 С КПД кремниевых ФП 10%,
то при рабочей температуре 90 С оно уменьшится до 7 % в соответствии с
выражением:
T
1
(T 30 )
T 30o C T
T
температурный градиент КПД ( для кремниевых ФП: 0.005 [ 1/ С ], а
для ФП из арсенида галлия: 0.0003 [ 1/ С ] ).

22.

Три разновидности конструктивного исполнения БС:
1. ФП крепятся непосредственно на корпусе КА. (Как правило, спутник
неориентированный на Солнце). Для уменьшения рабочей температуры ФП
можно термостатировать каркас или уменьшать температуру вращением КА.
Спутник «Космос-5»

23.

2. ФП наносятся на откидные панели, которые образуют панели БС. Если это
неориентированные БС, то температуру можно уменьшать путём вращения
КА или уменьшением КЗ, подбирая соответствующее AS / .
Спутник серии «Молния». 1-датчики системы ориентации, 2-солнечные
батареи, 3- три приёмника и передатчика,4-антенны, 5- ёмкости для
гидразина, 6-двигатель коррекции,7-радиатор.

24.

3. БС батареи образуют откидные панели, ориентированные на Солнце.
Уменьшение рабочей температуры возможно только за счёт уменьшения КЗ и
изменения AS / .
Спутник серии «Экран».
1-раскладная штанга, 2-система
стабилизации,3-передатчик большой
мощности, 4-Остролучевые антенны,
5-панели солнечной батареи.

25.

Размеры и форма БС должны удовлетворять следующим
требованиям:
1. Площадь БС должна быть достаточной для обеспечения электроэнергией
всей бортовой аппаратуры КА в любых условиях освещённости.
2. Эффективная (работающая) площадь БС FБС зависит от коэффициента
заполнения КЗ и удельной мощности ФП NУД, которая определяется
технологией производства и при прочих равных условиях зависит от
стоимости изготовления. Не все изготавливаемые ФП имеют максимальный
КПД из-за технологического разброса: FБС = f (NБС, КЗ).
3. Конструкцию БС выбирают с учётом её размещения под обтекателем РН в зоне полезного груза ракеты-носителя.
4. Конструкция каркаса БС или панелей должна быть технологичной в
изготовлении, проста и надёжна в эксплуатации, как на Земле, так и в
космосе. Необходимо иметь в виду, что панели больших размеров с заводаизготовителя транспортируются на стартовую позицию не в составе КА, а
отдельно в транспортном устройстве.
5. При движении КА по орбите БС по возможности должна отдавать
постоянную мощность NБС const.

26.

Отношение освещённой поверхности FЭФ к полной поверхности
каркаса F называется коэффициентом эффективности
FЭФ
K ЭФ
F
2
При d=h
Fэф
3
h
1
Изменение эффективной площади
цилиндра в зависимости от
положения Солнца
d
Положение
1 Положение
Положение
2
3
Шаровая
поверхность
имеет
наибольший
KЭФ=0.25
и
наибольшую
равномерность,
однако
она
сложна
в
изготовлении и имеет плохой коэффициент
заполнения, плохо сочетается с зоной
полезного груза ракетоносителя

27.

В конце активного существования КА мощность БС может быть определена:
пр
N БС
N БС
K
К – суммарный коэффициент, учитывающий необходимый запас по
мощности и возможные потери эффективности в процессе эксплуатации,
К = f ( КT , КБА , КР, К , КОР );
При худших обстоятельствах:
К = КТ КБА КР К КОР
КТ - коэффициент, учитывающий запас мощности БС для обеспечения работы
на теневом участке орбиты
1
(КТ 1.4)
KT
1 T
КБА – запас мощности, учитывающий КПД аккумуляторной батареи, ( КБА 1.2 ).
КР – запас мощности, учитывающий потери эффективности работы ФП от
радиационного воздействия космической среды, КР = ( 1 БС tАС ) 1, где
БС 0.22 10 3 - коэффициент интенсивности деградации БС под воздействием
факторов космического пространства.
KОР – запас мощности для ориентированных БС на неточность ориентации и
затраты на электропривод механизмов ориентации, ( КОР 1.02 ).
К – запас мощности на потери от термоциклирования ФП, знакопеременных
температур, возникающих при прохождении теневых участков орбиты, ( К 1.2 )

28.

Площадь БС может быть определена:
пр
N БС
FБС
NУД K ЭФ
пр
N БС
qс T 1
(TРАВ 30 С ) K ЭФ
T
Масса солнечной батареи определяется размерами FБС и конструкцией
каркаса или панелей.
Имеются две разновидности:
– панели из металла, КОН = 6 8 кг/м2.
– панели из сетчатых конструкций, КОН = 3 4 кг/м2.
При толщине ФП t = 0.4 0.8 мм и плотности кремния Si = 2.3 кг/дм3,
ФП = 1.0 1.84 кг/м2.
Для защитного покрытия из радиационного стекла: ЗП = 1.0 1.84 кг/м2.
Тогда масса БС:
MБС = FБС [ КОН + КЗ ( ФП + ЗП )]

29.

Вес системы ориентации БС в составе датчиков ориентации и исполнительных
органов составляет 100 кг.
Зоны рационального применения ориентированных и неориентированных БС
М, кг
750
Зона рационального
применения неориентированных
БС
500
Зона рационального
применения
ориентированных БС
Граница зон
Неориентированная БС
Масса системы ориентации
~ 100 кг
250
Ориентированная БС
0
50
100
150
200
Ncc, Вт

30.

6
5
4
3
2
1
Конструкция панелей БС ИСЗ «Молния-1».
1-алюминиевая панель, 2-клей, 3- тыльный
контакт, 4-ФП, 5-лицевой контакт, 6-защитное IБС
покрытие
S
Земля
ττ
▲IБС1
▲IБС2
IБСmi
n
ττ1
ττ2
Характер изменения полей БС ИСЗ «Молния-1»
tАС

31.

Монтаж фотопреобразователей на сетке