Статья поступила в редакцию 30.09.15. Ред. рег. № 2370
The article has entered in publishing office 30.09.15. Ed. reg. No. 2370
УДК 621.383
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ С НАПРЯЖЕНИЕМ 1 000 В В.Л. Панченко, Д.С. Стребкое, В.И. Поляков, Ю.Д. Арбузов
ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)
РФ 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2 тел.: +7(926)275-21-04; e-mail: pancheska@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.010 Заключение совета рецензентов: 07.10.15 Заключение совета экспертов: 15.10.15 Принято к публикации: 23.10.15
В статье приведён обзор исследований высоковольтных матричных солнечных модулей. Высоковольтный солнечный модуль с двухсторонней рабочей поверхностью выполнен в виде матрицы из коммутированных миниатюрных солнечных элементов (микроСЭ), у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости p-n -переходов перпендикулярны рабочей поверхности высоковольтного солнечного модуля (ВСМ). При работе высоковольтных солнечных модулей совместно с концентраторами солнечного излучения заметно улучшаются электрические характеристики по сравнению с работой солнечных элементов без концентраторов. ВСМ третьего поколения с КПД 20-24 % разработаны и изготовлены на экспериментально-технологическом участке ФГБНУ ВИЭСХ, а испытаны при концентрированном солнечном излучении в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт», (г. Харьков, Украина).
Ключевые слова: высоковольтные солнечные модули, матричные солнечные модули, эффективность, постоянное напряжение, полисилоксановый компаунд.
HIGH-VOLTAGE SOLAR MODULES WITH A VOLTAGE OF 1000 V V.A. Panchenko, D.S. Strebkov, V.I. Polyakov, Yu.D. Arbuzov
All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1st Veshnyakovsky dr., Moscow, 109456 Russian Federation ph.: +7(926)275-21-04, e-mail: pancheska@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.010 Referred 7 October 2015 Received in revised form 15 October 2015 Accepted 23 October 2015
The paper deals with the study of high-voltage matrix solar modules. The high-voltage solar module with two-sided working surface is in the form of a matrix of switched miniature solar cells, in which one or two linear dimensions are comparable with the diffusion length of minority carriers in the base region, and the plane of p-n junctions are perpendicular to the working surface of the high-voltage solar module. Using high-voltage solar modules together with solar radiation concentrators markedly improves the electrical characteristics of the solar cells compared to the work without a concentrator. Third generation high-voltage matrix solar modules with efficiency of 20-24 % were designed and manufactured in the experimental area of the process of the VIESH and tested under concentrated solar radiation in National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkov, Ukraine.
Keywords: high-voltage solar modules, matrix solar modules, efficiency, constant voltage, polysiloxane compound.
Панченко Владимир Анатольевич Vladimir A. Panchenko
Сведения об авторе: канд. техн. наук, заведующий лабораторией солнечных фотоэлектрических модулей, ФГБНУ ВИЭСХ.
Образование: МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Область научных интересов: солнечная энергетика, автономное энергоснабжение, сельское хозяйство.
Публикации: 42.
Information about the author: PhD
(engineering), the Head of the Laboratory of Solar Photovoltaic Modules, VIESH.
Education: Bauman Moscow State Technical University.
Research area: solar energy, autonomous power supply, agriculture. Publications: 42.
Стребков Дмитрий Семёнович Dmitriy S. Strebkov
Сведения об авторе: д-р техн. наук, научный руководитель института, ФГБНУ ВИЭСХ.
Образование: Московский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, МГУ им. М.В. Ломоносова.
Область научных интересов: возобновляемая энергетика, автономное энергоснабжение, сельское хозяйство.
Публикации: 1 340.
Information about the author: DSc
(engineering), the scientific director of the institute, VIESH.
Education: Moscow Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture; Lomonosov Moscow State University.
Research area: renewable energy, autonomous power supply, agriculture. Publications: 1 340.
M, лУл - С -
•//цс
Поляков Владимир Иванович Vladimir I. Polyakov
Сведения об авторе: начальник экспериментально-технологического участка, ФГБНУ ВИЭСХ.
Образование: Военная академия РВСН имени Петра Великого.
Область научных интересов: солнечные элементы, полупроводники.
Публикации: 41.
Information about the author:
Head of Experimental Technology Section, VIESH.
Education: Military Academy of Strategic Rocket Forces.
Research area: solar cells, semiconductors.
Publications: 41.
с о
Арбузов Юрий Дмитриевич Yuriy D. Arbuzov
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБНУ ВИ-ЭСХ.
Образование: Московский физико-технический институт.
Область научных интересов: солнечные элементы, полупроводники.
Публикации: 162.
Information about the author: PhD
(engeneering), leading researcher, VIESH .
Education: Moscow Institute of Physics and Technology.
Research area: solar cells, semiconductors.
Publications: 162.
-О
N
Введение
Все известные современные планарные солнечные элементы из кремния не используются при концентрированном солнечном излучении из-за резкого снижения эффективности при увеличении освещённости. В настоящее время большинство мировых производителей изготавливают солнечные элементы из кремния с эффективностью 15-18 %, а в массовом производстве для повышения эффективности до 25 % и более нужны новые физические принципы, новые конструкции и технологии. В технологии матричных солнечных модулей (высоковольтных сол-
нечных модулей - ВСМ) предлагается разделить пространственно освещаемые поверхности солнечного элемента на области генерации носителей заряда и области с ^-и-переходом, ответственные за разделение и собирание носителей. При этом площадь легированного слоя, ^-и-перехода и ^-^+-перехода на освещаемых поверхностях снижена более чем в 50 раз, а 99 % площади поверхности отведено для генерации электронно-дырочных пар при прямом взаимодействии квантов солнечного излучения с базовой областью солнечного элемента. Целью рассматриваемой технологии является создание высокоэффективных высоковольтных солнечных модулей третье-
GSDfiitlS №12ois83'
77
го поколения на основе монокристаллического кремния с рабочим напряжением до 1 000 В, эффективностью 20 % и более при концентрированном солнечном излучении.
Свойства высоковольтного солнечного модуля
На рисунке 1 ВСМ состоит из миниатюрных солнечных элементов 1, содержащих р-и-переходы 2, изотопные переходы 3, базовую область и-типа 4 и легированный изотопный р+ слой 5, внешние металлические контакты 6, внутренние металлические контакты 7, пассивирующую пленку 8, просветляющее покрытие 9 на рабочей поверхности 10. При этом р-и-переходы 2 расположены перпендикулярно рабочей поверхности 10. Один или два линейных размера миниатюрных солнечных элементов 1 соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области 4. Пассивирующая плёнка 8 толщиной 10-30 нм расположена на свободной от р-и-переходов поверхности 10.
Характеристики ВСМ с размерами 1 см2 х 1 см2
На рисунке 2 представлена вольтамперная характеристика ВСМ с КПД 20-24 %, испытанного в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина профессором Г.С. Хрипуновым и кандидатом технических наук В.Р. Копач.
Рис. 1. Высоковольтный солнечный модуль Fig. 1. High-voltage solar module
Рис. 2. Зависимость эффективности высоковольтного
солнечного модуля (1 см х 1 см) от интенсивности солнечного излучения с использованием импульсного
симулятора солнечного излучения: 1 - при одностороннем освещении и закрытой тыльной поверхности; 2 - при одностороннем освещении и открытой
тыльной поверхности Fig. 2. The dependence of the efficiency of high-voltage solar module (1 cm x 1 cm) on the intensity of solar radiation using
a pulse simulator of solar radiation: 1 - with one-sided illumination and closed the back surface; 2 - with one-sided lighting, and an open rear surface
Экспериментальные характеристики ВСМ -i 2^2 с размерами 1 см х 6 см
Напряжение, В
a б
Рис. 3. Секция высоковольтного солнечного модуля с радиатором воздушного охлаждения (а). Вольтамперные характеристики высоковольтного солнечного модуля с размерами 10 х 60 х 0,4 мм (б):
1'- освещенность 102 кВт/м2, КПД 24 %; 1'' - 493 кВт/м2, КПД 20 %; 2 - ВАХ планарного солнечного модуля размером 1,2 х 0,54 м при освещённости 1 кВт/м2, КПД 12 % Fig. 3. Section of high-voltage solar module with the air-cooling radiator (а). Current-voltage characteristics of high-voltage solar module with dimensions of 10 x 60 x 0.4 mm (б): 1'- illumination 102 kW/m2, efficiency 24 %; 1" - 493 kW/m2, efficiency 20 %; 2 - current-voltage characteristics planar solar module with dimensions 1.2 x 0.54 m at the illumination 1 kW/m2, efficiency 12 %
О^ЛЙЕЕ "Sir
78
На рис. 3а показана секция ВСМ с размерами 10 х 60 х 0,4 мм в оболочке из стекла с полисилокса-новым компаундом, содержащая 25 микроэлементов и установленная на воздушном радиаторе. Общая ширина контактов всех солнечных фотоэлектрических микроэлементов на рабочей поверхности составила 150 мкм [1]. На рис. 36 представлены вольтамперные характеристики ВСМ размером 10 х 60 х 0,4 мм с радиатором воздушного охлаждения при различной освещенности. При концентрированном импульсном освещении с плотностью потока 102,5 кВт/м2 КПД ВСМ площадью 6 см2 составил 24 %, рабочее напряжение 16,3 В, рабочий ток 0,9 А, фото-ЭДС 19 В (кривая 1'). Сила тока короткого замыкания ВСМ линейно увеличивается с ростом освещённости, напряжение растёт, как и коэффициент заполнения, что повышает КПД до 24 % при освещённости 102,5 кВт/м2. Электрическая мощность 59,16
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.