Разработка конструкции солнечного модуля на монокристаллических кремниевых преобразователях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломный проект

Разработка конструкции солнечного модуля на монокристаллических кремниевых преобразователях

Содержание

1. Обзор литературы

1.1 Принцип работы солнечного элемента

1.2 Типы фотоэлектрических систем

1.3 Обзор существующих типов фотоэлектрических преобразователей

1.3.1 Тонкопленочные аморфные солнечные элементы

1.3.2 Тонкоплёночные солнечные элементы на основе арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe)

1.3.3 Монокристаллические кремниевые солнечные элементы

1.4 Постановка задачи

2. Разработка схемы солнечного модуля

2.1 Разработка электрической принципиальной схемы модуля

3. Разработка конструкции солнечного модуля на монокристаллических кремневых преобразователях

3.1 Компоновка модуля, выбор конструкционных материалов

3.2 Технологический процесс изготовления разрабатываемого солнечного модуля

4. Экспериментальная часть

4.1 Исследование вольт-амперной характеристики от освещённости, температуры

4.1.1 Методика эксперимента

4.1.2 Анализ полученных результатов

Введение

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии. Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория. Оказывается что не всё так безнадёжно, ведь у нас есть неиссякаемый источник энергии - энергия Солнца.

Преобразование солнечной энергии в доступные для использования виды осуществляется двумя способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем при необходимости, например, с помощью пара, в электрическую). Солнечная энергетика перспективное направление развития работ по энергообеспечению мирового сообщества, одно из важнейших направлений в создании практически пригодных систем энергоснабжения на возобновляемых источниках.

Солнечные модули являются основной и неотъемлемой частью фотоэлектрической системы любого типа. Это - твердотельные устройства, преобразующие солнечную радиацию непосредственно в электричество. Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей - устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов.

Солнечные элементы могут быть круглыми (диаметром 100, 125 и 150 мм) или квадратными (100 х 100, 125 х 125, 150 х 150 мм). Мощность элементов - 1...3,5 Вт.

Солнечные модули наземного использования обычно конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, с номинальным напряжением 12 В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов. Полученный пакет обычно обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность солнечных модулей может достигать 10...300 Вт.

Основой солнечного модуля, определяющей его эффективность и стоимость, является фотоэлектрический преобразователь. Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными преимуществами:

· не имеют движущихся частей, что упрощает обслуживание, снижает его стоимость и увеличивает срок службы при незначительном снижении эксплуатационных характеристик;

· эффективно используют прямое и рассеянное (диффузное) солнечное излучение;

· не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

· пригодны для создания установок практически любой мощности.

Установочная мощность систем - в диапазоне от нескольких Вт (и даже менее) до нескольких МВт.

Целью данного дипломного проекта является разработка конструкции солнечного модуля на монокристаллических кремниевых преобразователях. На современном мировом рынке рост фотоэлектричества очень динамичен, но, к сожалению, солнечные модули имеют ряд существенных недостатков - высокая стоимость исходных материалов и относительно низкий КПД, порядка 12-13%. Разрабатываемая конструкция солнечного модуля будет лишена этих недостатков, за счёт усовершенствования конструкции, таким образом, чтобы максимальная эффективная работа приходилась на естественные климатические условия для большинства мест земного шара, что позволяет повысить КПД до 15-16%.

Разрабатываемая конструкция солнечного модуля предназначена для использования на стационарных объектах в системах сетевого и автономного электроснабжения, но, а также улучшит эстетический вид здания, придав ему особенный колорит. Поскольку Россия ежегодно получает большое количество солнечной энергии, можно предположить, что в скором будущем солнечные модули станут вносить весомый вклад в единую энергетическую систему не только России, но и за рубежом.

1. Обзор литературы

1.1 Принцип работы солнечного элемента

Солнечный элемент - это устройство, непосредственно преобразующее энергию солнечной радиации в электрическую. Работа полупроводниковых фотоэлементов с запирающим слоем основана на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в образовании носителей тока в полупроводнике при поглощении квантов света. Под действием светового излучения они вырабатывают собственную э.д.с. Осуществляется непосредственное преобразование лучистой энергии в электрическую. Наиболее совершенными из существующих в настоящее время фотоэлектрических преобразователей являются кремниевые. Выбор кремния в качестве исходного материала обусловлен рядом факторов:

1 - кремний является наиболее распространенным после кислорода элементом на земле; его производство хорошо освоено;

2 - для солнечного спектра наибольшая выходная электрическая мощность получается у фотопреобразователей, изготовленных из тех полупроводников, ширина запрещенной зоны которых лежит в пределах 1--1,5 эВ;

3 - кремниевые элементы весьма подходят для использования солнечного излучения по своей спектральной чувствительности;

4 - кремниевые приборы менее чувствительны к температурным колебаниям;

5 - кремний позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение.

Как работает классический солнечный элемент? Есть два тонких слоя полупроводников (см. рис. 1.1.). Один из них n-типа (с избытком электронов в энергетической зоне проводимости), а другой p-типа (с избытком "дырок"). Свет в виде фотонов улавливается солнечными элементами. Ток во внешней цепи, подключённый к слоям, возникает, когда падающий на полупроводник n-типа фотон поглощается электроном из валентной зоны, вследствие чего последний увеличивает свою энергию и "прыгает" через "запретную зону" на уровень проводимости.

Фотон возбуждает электрон и заставляет его покидать свое место, в результате чего образуется "дырка", или положительный заряд. Электроны и дырки устремляются к разным электродам и питают энергией какое-либо устройство. Ширина запретной зоны, которую нужно преодолеть, определяет частоту излучения, на которую будет откликаться эта фотоэлектрическая ячейка.

1.2 Типы фотоэлектрических систем

Существует два вида фотоэлектрических систем. Автономные системы предназначены для электроснабжения передвижных объектов или объектов, удаленных от основных линий электропередач, в труднодоступных местах или местах, куда прокладка линии затруднена или невыгодна по экономическим причинам.

Схема такой станции приведена на рисунке 1.2. Использование в таких условиях фотоэлектричества наиболее эффективно и оправдано, стоимость 1 кВтч электроэнергии оказывается значительно ниже. Мощность таких систем лежит в пределах 0,01…100 кВт.

Станции второго типа выработанную энергию отдают непосредственно в промышленную сеть, которая служит одновременно и накопителем энергии и ее распределителем. Такие системы, установленные в городе на крышах и стенах зданий, могут обеспечить электричеством, как само здание, так и компенсировать энергодефицит при пиковом потреблении энергии в полуденное время. Схема такой станции приведена на рисунке 1.3. [7]

Мощность таких станций может достигать нескольких МВт.

Рисунок 1.3. Схема сетевой системы энергоснабжения

Для сохранения выработанной солнечными модулями энергии хорошо подходят электрохимические аккумуляторы, т.к. солнечный модуль производит, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе. Основными условиями по выбору аккумуляторов являются:

стойкость к циклическому режиму работы;

способность выдерживать глубокий разряд;

низкий саморазряд;

некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;

долговечность;

простота в обслуживании.

Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, выполненные по технологиям "dryfit" и AGM (абсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1...12000 А·ч.

Выделяющиеся при зарядке газы не выходят из аккумулятора, поэтому электролит не расходуется и обслуживание не требуется. Серия аккумуляторов SMG фирмы FIAMM (Италия) объединяет преимущества рекомбинационной технологии и обычных открытых батарей с трубчатыми положительными пластинами.

Аккумуляторы имеют:

длительный срок службы -15 лет;

стойкость к циклическому режиму - более 1200 циклов;

отсутствие необходимости обслуживания на протяжении всего срока службы;

минимальное газовыделение;

отсутствие пуско-наладочных работ;

саморазряд - приблизительно 3% в месяц.

Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы необходим инвертор. Инверторы - полупроводниковые приборы. Они могут быть разделены на два типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем:

- инверторы для автономных систем;

- инверторы для сетевого применения.

Для всех типов основным параметром является КПД, который должен быть более 90%. Все автономные инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторных батарей, поэтому входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48, 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще реализуется инвертор и тем больше получается КПД. К форме выходного сигнала автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. В ряде случаев, если позволяет нагрузка, возможно применение инверторов с трапециевидным выходным сигналом. Такие инверторы стоят в 2-3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. В идеале, к автономному инвертору предъявляются следующие требования:

- способность выдерживать перегрузки (как кратковременные, так и длительные);

- низкие потери при малых нагрузках и на холостом ходе;

- стабилизация выходного напряжения;

- низкий коэффициент гармоник;

- высокий КПД;

- отсутствие помех на радиочастотах.

Для сетевых инверторов требования к выходному сигналу предъявляются самые жесткие. Для уменьшения потерь на преобразование такие инверторы работают при высоких входных напряжениях (до 1000В). Так как входные цепи этих инверторов питаются непосредственно от солнечного генератора, то инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности, встроенный в инвертор. Сетевые инверторы имеют также блок контроля над мощностью солнечного генератора и включаются автоматически, как только мощность генератора становится достаточной для формирования переменного сигнала.

Солнечные модули являются основной и неотъемлемой частью фотоэлектрической системы любого типа. Наибольшее распространение получили солнечные модули, изготовляемые из монокристаллических или поликристаллических кремниевых солнечных элементов.

Солнечные элементы могут быть круглыми (диаметром 100, 125 и 150мм) или квадратными (100х100, 125х125, 150х150 мм). Мощность элементов - 1...3,5 Вт.

Солнечные модули, предназначенные для наземного использования, обычно конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. Для этого 36 солнечных элементов соединяются последовательно и собираются в модуль, разрез которого показан на рисунке 1.4. Полученный пакет обычно обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей опорной конструкции. Мощность солнечных модулей может быть от 10 до 300 Вт.[1]

Рисунок 1.4. Разрез солнечного модуля

Электрические параметры таких модулей представляются в виде вольтамперной характеристики (см. рисунок 1.5.), снятой при стандартных условиях (Standard Test Condition ~ STC), т.е. когда мощность солнечной радиации составляет 1000 Вт/м², температура элементов - 25°С и солнечный спектр - на широте 45°.



Рисунок 1.5. Вольт - амперная характеристика солнечного модуля: 1- вольт - амперная характеристика; 2 - кривая мощности.

Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода U_хх, а с осью тока - током короткого замыкания I_кз. На этом же рисунке приведена кривая мощности, отбираемой от солнечного модуля в зависимости от напряжения нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности называется напряжением максимальной мощности U_m (рабочим напряжением), а соответствующий ток - током максимальной мощности I_т (рабочим током). Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов приблизительно равно 16...17В (0,45...0,47 В/элемент) при 25°С. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности (модуля) к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при STC, и составляет 11...15%. Для получения необходимой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или параллельно. Таким образом, получают фотоэлектрический генератор.

1.3 Обзор существующих типов фотоэлектрических преобразователей

Солнечные элементы, в зависимости от материала и технологии изготовления, делятся:

· Тонкопленочные аморфные солнечные элементы;

· Тонкоплёночные солнечные элементы на основе арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe);

· Монокристаллические кремниевые солнечные элементы.

Рассмотрим подробнее каждый из типов фотоэлектрических систем.

1.3.1 Тонкопленочные аморфные солнечные элементы

Наибольшее развитие в области тонкопленочных солнечных элементов получила технология аморфного кремния. Аморфный кремний - это твёрдые тела, структура которых характеризуется ближним светом. Впервые солнечный элемент на его основе был создан в 1975г, а в настоящее время аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) является одним из основных материалов солнечной энергетики.[2] Технологию изготовления элементов, основанную на процессе осаждения a-Si:H в тлеющем разряде, можно успешно использовать для создания дешёвых солнечных батарей большой площади на недорогих подложках в условиях автоматизированного поточного производства. Фотоэффект наблюдается в приборах нескольких типов: с p - i - n структурами, барьером Шоттки и гетеропереходом.

Рассмотрим солнечный элемент на основе аморфного кремния с p - i - n структурой, который обладает более высокой эффективностью (рис. 1.6.).

Рис 1.6 Схема конструкции солнечного элемента на основе аморфного кремния с p - i - n структурой

При создании солнечных элементов со структурой p - i - n на поверхность нелегированного a-Si:H наносят тонкий слой диэлектрика (толщиной ~2…3 нм), а затем осаждают плёнку металла с большой работой выхода, подобно платине. Для того чтобы в полупроводниковый слой могло поступить достаточное количество света, металлическая плёнка должна иметь маленькую толщину (~ 5 нм). Просветляющие покрытие (например, слой ZrO₂ толщиной ~ 45 нм) позволяет снизить потери излучения на отражение. Для получения эффективных солнечных элементов на основе p - i - n -структуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i - области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения.

Общая стоимость применяемого материала оказывается крайне низкой, так как элементы с приемлемыми характеристиками могут быть изготовлены на основе очень маленьких плёнок кремния (толщиной ~ 1 мкм), осаждение которых осуществляется непосредственно из материала исходного сырья (силана) без промежуточных процессов его превращения в слиточный или порошкообразный кремний. Гидрогенизированный кремний имеет более благоприятную для эффективного преобразования солнечного излучения ширину запрещенной зоны (~1,6 эВ), чем кристаллический. Будучи проводником, с прямым оптическим переходом, он обладает высоким коэффициентом поглощения света. В пленке a-Si:H толщиной 1 мкм поглощается до 70 % падающего излечения с энергией более 1,6 эВ. Согласно теоретическим оценкам, предельный КПД солнечного элемента на основе a-Si:H составит 15 %. [3]

В то же время ещё недостаточно глубоко изучены кинетические явления, механизм легирования, оптические характеристики и особенность микроструктуры a-Si:H. Основная проблема для a-Si:H солнечных элементов - деградация их параметров в процессе эксплуатации.

Таким образом, существует ещё много проблем, для решения которых необходимы интенсивные эксперименты и теоретические исследования аморфного материала.

1.3.2 Тонкоплёночные солнечные элементы на основе арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe)

Помимо монокристаллического и аморфного кремния уже применяемых для изготовления тонкоплёночных солнечных элементов, существует несколько других полупроводниковых материалов, таких как GaAs, CdTe, InP, Zn₃P₂, на основе которых могут быть созданы высокоэффективные тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи. Арсенид галлия и теллурид кадмия привлекли внимание исследователей ещё в 60-е года, однако из-за отсутствия уверенности в возможности получения этих материалов в необходимом количестве их изучением занималась лишь в нескольких лабораториях. В последнее время наблюдается возобновление интереса к солнечным элементам на основе GaAs и CdTe.[3]

Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей -- арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

· почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

· повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

· высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

· относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

· характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе - широкий диапазон возможностей для дизайна солнечного элемента. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать солнечный элемент на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Еще один перспективный материал для фотовольтаники является теллурид кадмия (CdTe) по следующим причинам:

· ширина запрещённой зоны CdTe составляет 1,445 эВ, что соответствует оптимальному значению для преобразования;

· высокая способность к поглощению излучения;

· плёнки CdTe высокого качества могут осаждаться с использованием различных методов;

· кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

В солнечных элементах широко применяется гетероструктура n-CdS/p-CdTe. На стеклянную подложку со слоем прозрачного проводящего покрытия (SnO₂, SnO₂-In₂O₃) наносят плёнку CdS толщиной до 100 нм, далее - плёнку CdTe толщиной до 5 мкм, затем - тыльной электрод, например, Ag.

Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечный элемент на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Кадмий-теллурид относительно дешев, но при этом отличается невысоким КПД (10%).

1.3.3 Монокристаллические кремниевые солнечные элементы

Среди различных типов фотоэлектрических преобразователей лишь монокристаллические кремний в настоящее время нашли широкое применение в солнечной энергетике. Это связано со следующими причинами:

· отработанная технология получения кремния и выращивание p-n переходов;

· высокие параметры (КПД, стабильность и надёжность).

Основой солнечного элемента является кремниевая пластина толщиной от 300 мкм до 400 мкм. Толщина пластины выбирается из конструктивных критериев. Удельное сопротивление Si - пластины - 0,5-10 Ом*см; кристаллографическая ориентация - <100>; глубина залегания p-n перехода - до 0,5 мкм.[1]. Для уменьшения световых потерь поверхность солнечного элемента покрывают антиотражающим покрытием (TiO₂, TaO₅,Si₃N₄ и т. д.)

Элементарная конструкция монокристаллического кремниевого солнечного элемента показана на рис. 1.7.

фотоэлектрический монокристаллический солнечный батарея модуль

Для снижения потерь на отражение и увеличение длины пути световой волны в толщине материала используется текстурирование поверхности солнечного элемента. Процесс текстурировния поверхности состоит в преобразовании поверхности в трёхмерную поверхность в виде четырехгранных пирамид высотой 1-2 мкм. Применение текстурироанной поверхности позволяет увеличить з на 10-15 %. Монокристаллический кремний в виде массивных образцов относится к наиболее подробно и глубоко исследованным полупроводниковым материалам. Технология получения и обработки кремния, а также изготовление электронных схем и приборов на его основе благодаря высокому уровню развития и быстрому совершенствованию до сих пор остаётся базовой технологией в электронной промышленности; при этом кремний занимает ведущее положение во всех областях электроники.

1.4 Постановка задачи

Целью данного дипломного проекта является разработка солнечного модуля на монокристаллических кремниевых фотопреобразователях. Солнечный модуль предназначен для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. Модуль будет работать как в составе солнечных и гибридных электростанций, так и в автономных источниках питания радио - электронной аппаратуры, средств навигации и связи, солнечных домах, в бытовых электроприборах и других устройствах. Солнечный модуль должен состоять из 36 монокристаллических фотопреобразователей псевдоквадратной формы, размером 125x125 мм.

Параметры модуля:

- мощность максимальная P_mp, Вт 75;

- напряжение максимальной мощности U_mp, В 17;

- ток максимальной мощности I_mp, А 4,1;

- напряжение холостого хода U_oc, B 21,6;

- ток короткого замыкания I_sc, A 4,6;

- разброс характеристик, % ±10.

Конструкция модуля должна удовлетворять следующим требованиям: - модуль должен быть изготовлен на стеклянной подложке.

- конструкция модуля должна быть герметичной.

- габариты модуля не более 1250 х 600 х 40 мм.

По механическим внешним воздействующим факторам модуль должен удовлетворять требованиям ГОСТ 17516.1 для группы механического исполнения М 19.

- вибрационные нагрузки в диапазоне частот 200…500 Гц максимальным ускорением 5g;

- вибрационные нагрузки в диапазоне частот 0,5…200 Гц с максимальным ускорением 2g;

- степень жесткости 21а.

По климатическим внешним воздействующим факторам модуль должен удовлетворять требованиям ГОСТ 15159 для исполнения B1.

- рабочая температура, єС 30…+50;

- предельная температура, єС 40…+85;

- относительная влажность, % до 100;

- атмосферное давление, мм. рт. ст. 650…800.

Выбранные радиоэлементы и вся конструкция должна отвечать требованиям надежности. Модуль должен иметь наработку на отказ не менее 100000 ч. Модуль должен обеспечивать удобное и простое соединение с другими устройствами с помощью разъемов и кабелей. Также необходимо обеспечить удобный монтаж модуля, легкий доступ к элементам конструкции. Конструкция должна предусматривать возможность винтового крепления модуля к другим элементам конструкций. При разработке конструкции модуля необходимо максимально использовать стандартные и нормализованные изделия, так как они проверены практикой и более надежны. Технология изготовления модуля, предназначенного для мелкосерийного производства, должна допускать применение универсального и не дорогого оборудования.

Модуль должен быть сконструирован так, чтобы затраты на разработку и изготовление были минимальными.

2. Разработка схемы солнечного модуля

2.1 Разработка электрической принципиальной схемы модуля

Модуль состоит из 36 последовательно соединенных между собой солнечных элементов.

Также в схеме предусмотрена возможность параллельного или последовательного подключения других солнечных модулей.

Так как, при затенении одного или нескольких элементов в модуле при последовательном соединении возникает "эффект горячего пятна" - затененный элемент начинает рассеивать всю производимую освещенными элементами мощность, быстро нагревается и выходит из строя, то для устранения этого эффекта параллельно с каждой половиной блока устанавливают шунтирующие диоды VD1 - VD2. При затенении элемента диод оказывается прямо смещённым и через него протекает в нагрузку ток в обход неисправного элемента. Все эти диоды размещаются в соединительной коробке самого модуля.

Схема электрическая принципиальная солнечного модуля представлена на рисунке 2.8.

3. Разработка конструкции солнечного модуля на монокристаллических кремневых преобразователях

3.1 Компоновка модуля, выбор конструкционных материалов

Компоновка позволяет произвести оценку электромагнитных и тепловых связей, рассчитать кинематические связи, оценить основные конструкторско-технологические решения и рассчитать основные показатели качества конструкции.

Солнечный модуль состоит из 36 элементов последовательно соединенных между собой проводниками прямоугольного сечения и герметизированных в пакете из стекла и лавсановой пленки. Стеклопакет обрамляется алюминиевым профилем RE 1187 для обеспечения жесткости и для удобства крепления к несущим конструкциям.

К корпусу соединительной коробки крепятся два герметичных кабельных вывода TYCO ZCG-35-4-0, для последующего подсоединения соединительных кабелей (см. рис. 3. 9.).

На обратной стороне модуля с помощью герметика крепится соединительная коробка, в которой находятся шунтирующие диоды.

Выбор материала для деталей является важной задачей, так как в большинстве случаев детали можно создавать либо из различных материалов, либо из сложных совокупностей.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов:

· материал является основой конструкции, т.е. определяет способность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических факторов.

· материал определяет технологические характеристики детали, так как обрабатывается определенными технологическими методами.

· от свойств материалов зависит точность изготовления детали. Точность штампованных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала. От точности изделия зависит точность узла или прибора, куда оно входит.

· материал влияет на габариты и массу прибора. Использование алюминиевых сплавов может дать сокращение массы в 3 - 5 раза при полном удовлетворении требования прочности и жесткости.

· материал оказывает влияние на эксплуатационные характеристики детали, на ее надежность и долговечность. Детали, выполненные из стойких к окислению материалов, в определенных условиях могут эксплуатироваться годами.

Выбор материала для соответствующих деталей нужно производить так, чтобы технические параметры этого материала были согласованны с требованиями, предъявляемыми к разрабатываемой конструкции. [9]

Принимая во внимание, условия эксплуатации проектируемого прибора, и руководствуясь требованиями при выборе материалов, приведенных выше, для разработки конструкции солнечного модуля применим следующие материалы. Алюминиевый сплав АД 31. Т1 П - 60 ГОСТ 8617-95. Алюминий не имеет полиморфных превращений, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм. Температура плавления 660 °С, температура кипения 2270 °С, модуль упругости 71 Гпа, удельное электросопротивление с1=2,6*10 Ом*м, коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-100 °С составляет 23,9*10°С. Алюминий и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной деформации - прокатке, ковке, прессованию, волочению, гибки, листовой штамповке и другим операциям. Все алюминиевые сплавы можно соединять точечной сваркой, а специальные сплавы можно сваривать плавлением и другими видами сварки. Стекло листовое закаленное толщиной 4мм ЗМ1 - 1214 - 544 - 4СМ 4 ГОСТ 30698-2000. Стекло данной марки имеет высокий коэффициент направленного пропускания света (0,93%) и низкие оптические отражения. Герметик силиконовый CHEMLUX 9011. Герметик может работать в интервале температур от -80 до +250°С, имеет высокую скорость отвердения и хорошую адгезию к другим материалам. Фотоотверждаемая полимерная композиция ТУ 2435-002-32587395-99. Вязкость динамическая - до 90 спз, время отвердения - 40м. Полимерные композиции представляют собой растворы различных сложных полиэфиров в метилметакрилате, и содержит фотоинициатор в качестве отверждающего компонента. Композиция в своем составе может иметь также пластификатор. Пленка ПЭТ Э 125х1150 неокрашенная, высший сорт ГОСТ 2423-96. Диапазон эксплуатации от -60 до + 155°С.

3.2 Технологический процесс изготовления разрабатываемого солнечного модуля

Конструкция разрабатываемого солнечного модуля на основе монокристаллического кремния представляет собой цепь из 36 солнечных элементов, соединенных последовательно, и герметизированных полимерным материалом между стеклом и защитной полимерной пленкой представлена на рисунке 3.10.

Блок-схема технологического процесса изготовления такого солнечного модуля представлена на рис. 3.11.



Первая операция - пайка блок - элементов. Пайка - наиболее трудоемкая и наиболее сложная операции для автоматизации. В этом процессе проводники припаиваются к фронтальной стороне, которая имеет заряд минус, а так же к тыльной стороне каждого элемента, который имеет противоположный заряд.

Вторая операция - отмывка блок - элементов. Предназначена для удаления остатков флюса, в состав которого входит глицерин и соляная кислота, путем помещения фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) в однопроцентный раствор аммиака, в результате чего под действием щелочи происходит разрушение кислоты, которая отрицательно влияет на ФЭП, снижая, его характеристика. После этого изделие помещают в ванну с проточной водой. На заключительном этапе промывки происходит удаление кислоты, содержащиеся в проточной воде с помощью ванны с дионизированной водой.

Третья операция - пайка секция блок - элементов. Солнечные элементы с проводниками спаиваются между собой последовательно. Температура процесса составляет 180-190 °С. Выбранная конфигурация - 9 х 4 элемента.

Четвертая операция - контроль блок - секций. После соединения элементов необходимо провести операцию тестирования. Качество блока контролируется путем изменения основных параметров - напряжение холостого хода и тока короткого замыкания. Эти параметры должны быть равны соответственно 21 В и 4,6 А.

Операция пятая - сборка пакета. На операции сборки пакета необходимо сформировать замкнутый объем, внутри которого должен находиться блок солнечных элементов, в который будет заливаться фотоотверждающаяся полимерная композиция (ФПК). Предварительно, необходимо подготовить стекло и пленку. Перед сборкой пакета все поверхности, находящиеся внутри, тщательно очищают и покрывают тонким слоем адгезива. Слой адгезива создается методом распыления изопропилового спирта. Затем блок спаянных солнечных элементов укладывают между стеклом и пленкой, по периметру которых предварительно наносится силиконовый герметик.

Операция шестая - герметизация пакета. Для заполнения объема ФПК используют несколько штуцеров, расположенных в противоположных узлах пакета. По окончании заливки при наличии зазора откачать излишки ФПК. При наличии воздушных пузырей удалить их теми же средствами. После чего пакет подвергают двустороннему воздействию ультрафиолетового излучения в течение 30 минут при комнатной температуре. При этом происходит фотостимулированная блочная полимеризация эфиров акриловой и метакриловой кислот, входящих в состав фотополимера.

Операция седьмая - заказчик. По желанию заказчика происходит раскрой плёнки ORACAL.

Операция восьмая - обрамление. Обрамление модуля изготовлено из анодированного алюминия, что обеспечивает прочность конструкции, простоту установки при монтаже систем. Помимо этого в корпус пакета устанавливаются диоды. Основная задача диодов - это обеспечение работы модуля даже при затенении одного из элементов. При этом диод оказывается прямо смещённым и через него протекает в нагрузку ток в обход неисправного элемента.

Операция девятая - контроль электрических параметров модуля. Для испытания эффективности готовых модулей используется солнечный имитатор, обеспечивающий однородную интенсивность света по поверхности модуля, в то же время производится измерения вольт - амперной характеристики модуля.

Операция десятая - финишная очистка и маркировка. При данной операции удаляется излишки герметика и разводы.

Операция одиннадцатая - контроль внешнего вида. Осуществляется визуальный осмотр на наличие трещин, царапин, зазоров и других видов брака.

Операция двенадцатая - упаковка. Укладываются солнечные модули в транспортную тару.

Рассмотренный в данном дипломном проекте технологический цикл производства солнечного модуля PSM5-75 непрерывно совершенствуется. Постоянно подбирается состав флюса при операциях пайки и операциях контроля. В частности постоянно совершенствуется программа компьютерного контроля и сама установка, создающая стандартное солнечное излучение.

4. Экспериментальная часть

4.1 Исследование вольт-амперной характеристики от освещённости, температуры

4.1.1 Методика эксперимента

Целью исследования являлось экспериментальное исследование влияния освещённости и температуры среды на вольт-амперную характеристику солнечного модуля. Методика выполнения измерений параметров монокристаллических солнечных элементов и модулей основана на прямом измерении вольтамперной характеристики при имитированном солнечном свете. К числу параметров относят:

1. Мощность максимальная P_m, Вт.

2. Напряжение максимальной мощности U_m, В

3. Ток максимальной мощности I_m, А

4. Напряжение холостого хода U_хх, В

5. Ток короткого замыкания I_кз, A

Эксперимент проводился в закрытом помещении при следующих характеристиках элемента:

· площадь, см² 148;

· КПД, % 15;

· Фактор заполнения FF, ед. 0,75;

Характеристика модуля:

· NCOT, є C 25;

· Количество элементов 36;

· Прозрачность стекла, % 93.

Средства измерений, вспомогательные устройства и материалы. При выполнении измерений применяют средства измерений и другие технические средства, приведенные таблице 1.

Таблица 1 Средства измерения ВАХ

Наименование	Обозначение стандарта	Наименование измеряемой величины
Устройство осветительное	СЯМ3.680.009 СБ
IBM совместимый компьютер с операционной системой Win Me		Обработка результатов измерения
Плата сбора данных L1450	СЯМ3.438.009	Измерение ВАХ
Нагрузка электронная
Компакт диск с программным обеспечением	Solar Test	Получение ВАХ и расчет параметров фотоэлектрических приборов
Принтер
Эталонный фотоэлектрический прибор	ЯВАФ.564.113.000 ТУ

В основе метода лежит прямое измерение ВАХ солнечного модуля в условиях измерений, близкой к стандартным условиям (плотность потока 1000 Вт/м², температура модуля 25 °С) путем ступенчатого изменения электрической нагрузки, подключенной к модулю. После каждого изменения нагрузки измеряются и запоминаются значения тока и напряжения на зажимах модуля. Все измерения производятся автоматически с помощью платы сбора данных, управляемой компьютером по программе "Solar Test".

Работа с программным обеспечением. Рассмотрим сведения о работе программного обеспечения "Solar Test". Программное обеспечение предназначена для получения ВАХ фотоэлектрических приборов и расчета параметров фотоэлектрических приборов. Оно предназначено для работы совместно с персональным компьютером IBM с установленной операционной системой WinMe, платой сбора данных L1450, установленной в слот ISA, и электронной нагрузкой. Программа обеспечивает работу с устройством осветительным, не поддерживающим функцию автоматического включения облучения при измерении, а также с устройством осветительным СЯМ3. 680. 009 СБ, поддерживающим данную функцию.

В качестве нагрузки используется полевой транзистор IRF3205, на затвор которого последовательно подается постоянное напряжение, формируемое ЦАПом платы. При этом сопротивление транзистора изменяется, смещая рабочую точку фотоэлектрического прибора. Значения тока и напряжения запоминаются во временном массиве.

При измерении характеристик, отличных от стандартных условий, производится корректировка измеренной ВАХ в соответствии с ГОСТ 28976. Схема измерений представлена на рисунке 4.12

Рис. 4.12. Блок-схема измерений ВАХ фотоэлектрических преобразователей: 1-сигнал тока; 2-сигнал напряжения; 3-сигнал управления; 4-измерительный шунт.

4.1.2 Анализ полученных результатов

В ходе эксперимента, при изменении освещённости, были получены вольт - амперные характеристики (рис. 4.13.). Освещённость является основным параметром для солнечного элемента, поэтому изменение освещённости ведет к существенному изменению электрических параметров модуля, например, снижение освещённости приводит к заметному снижению номинальной мощности (см. рис. 4.14.), рабочего тока, а также тока короткого замыкания элемента (см. рис. 4.16.).



Рис. 4.13 Вольт - амперные характеристики при разных значениях освещённости

Одновременно с этим напряжение максимальной мощности и напряжение холостого хода меняется не значительно в сторону уменьшения (см. рис. 4.15.). Результаты представлены в виде таблицы 4.2.

Таблица 4.2

Освещенность, В/м2	200	400	600	800	1000
Мощность максимальная Pm, Вт	14.97	30.04	44.64	58.5	71.61
Напряжение максимальной мощности Um, В	17	17.18	17	2.6	16.4
Ток максимальной мощности Im, А	0.88	1.75	2.6	3.48	4.35
Напряжение холостого хода Uхх,В	20.04	20.56	20.82	20.97	21.06
Ток короткого замыкания Iкз, A	0.92	1.85	2.77	3.69	4.62

Также была получена зависимость U_{хх р} (напряжение холостого хода в реальных условиях) и I_{кз р} (ток короткого замыкания в реальных условиях) от температуры:



Рис 4.14. Зависимость максимальной мощности от напряжения.

Рис. 4.15. Зависимость напряжения холостого хода от уровня освещённости.

Рис. 4.16. Зависимость тока короткого замыкания от уровня освещённости.

В ходе эксперимента также была получена зависимость ВАХ от температуры, результат также представлен в таблице 4.3.

Рис. 4.17. ВАХ солнечного модуля при различных значениях температуры.

Рис. 4.18. Зависимость максимальной мощности от напряжения при различных значениях температуры окружающей среды.

Таким образом, в результате эксперимента был установлен температурный коэффициент k_u = - 0,4 %/градус для напряжения холостого хода и k_i = 0,07 для тока короткого замыкания.



Также на рис. 4.17. представлена зависимость ВАХ от температуры в графическом виде. Анализируя зависимость ВАХ от температуры мы видим, что увеличение температуры в широких пределах ведет к заметному снижению U_хх и напряжения максимальной мощности U_m (см. рис. 18), при этом увеличение I_кз не значительно.

Таблица 4.3

Температура, 0С	20	40	60	80
Мощность максимальная Pm, Вт	73.29	66.47	59.40	52.10
Напряжение максимальной мощности Um, В	16.92	15.17	13.44	11.73
Ток максимальной мощности Im, А	4.33	4.38	4.41	4.44
Напряжение холостого хода Uхх,В	21.49	19.76	18.04	16.30
Ток короткого замыкания Iкз, A	4.59	4.68	4.78	4.86

Анализируя полученные зависимости, мы видим, что разработанная конструкция солнечного модуля обладает наилучшими характеристиками при нормальной температуре и освещённости, т. е. модуль идеально приспособлен для работы в естественных условиях для большинства мест земного шара, исключение составляет места, где не очень высокая среднегодовая температура и не очень низкая освещённость.

Размещено на Allbest.ru