| Название: | Высокоэффективные фотоэнергосистемы на основе каскадных солнечных батарей |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 09 - Инженерные науки |
| Научная дисциплина: | 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии |
| Ключевые слова: | Фотоэнергосистема, фотовольтаика, солнечная энергетика, фотоэлектрический преобразователь, каскадный солнечный элемент, концентраторный фотоэлектрический модуль, солнечная батарея |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Андреев,ВМ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-79-30035 |
Аннотация
Истощение ископаемых энергетических ресурсов и значительное загрязнение планеты при использовании традиционных источников энергии на электростанциях приводят к необходимости более широкого использования возобновляемых источников энергии, в первую очередь, солнечной энергии. В 2012 году общая мощность установленных в мире солнечных батарей превысила знаковый рубеж 100 ГВт. А уже по итогам 2016 года полная установленная мощность фотоэнергетики в мире составляла более 300 ГВт. Такой быстрый рост солнечной энергетики определяется государственной поддержкой, повышением энергоэффективности и снижением себестоимости производства фотоэлектрических модулей. Благодаря этому солнечная энергетика достигла в ряде регионов мира конкурентоспособности (паритета) с сетевой электроэнергией без дополнительных мер государственной поддержки. Не менее актуальной является проблема повышения эффективности и ресурса работы космических солнечных батарей нового поколения, выполнения программ космических исследований и развития космических технологий – одного из приоритетов технологического прорыва РФ.
Перед исследователями и разработчиками солнечных батарей стоит задача повышения конкурентоспособности солнечной энергетики. Имеется несколько путей решения этой задачи. В разрабатываемых в проекте фотоэнергосистемах на основе каскадных солнечных батарей снижение стоимости «солнечного» электричества достигается путем увеличения КПД батарей, за счет снижения количества полупроводникового материала при использовании систем концентрирования излучения и увеличения суточного энергосъема, обеспечиваемого при слежении за Солнцем.
Предлагаемые в проекте подходы основаны на разработке и создании высокоэффективных каскадных солнечных элементов с КПД более 40% совместно с системами концентрирования солнечного излучения. Использование линз Френеля с кратностью концентрирования более 500 крат позволяет пропорционально снизить расход полупроводникового материала, доля которого в общей стоимости фотоэнергосистемы оказывается менее 10%. Время, за которое солнечная установка на основе каскадных концентраторных батарей произведет столько же энергии, сколько было затрачено на ее создание, составляет менее одного года, что в несколько раз меньше, чем в случае использования кремниевых батарей. Применение концентраторных солнечных батарей в установках со слежением за Солнцем позволяет увеличить суточный энергосъем с единицы площади энергоустановки, что в совокупности с лучшей температурной стабильностью каскадных солнечных элементов обеспечивает увеличение на 25-30% количества вырабатываемой по сравнению с кремниевыми батареями электроэнергии.
Важным является повышение энергоэффективности и ресурса работы космических солнечных батарей на основе каскадных солнечных элементов и фотоэлектрических модулей на их основе с концентраторами солнечного излучения.
Наиболее перспективным путем решения обозначенных задач является разработка технологии каскадных солнечных элементов в системе GaInP-GaInAs-Ge.
Новым является создание GaInAs субэлемента с произвольной шириной запрещенной зоны с соответствующим сдвигом длинноволнового края фоточувствительности в ИК область спектра. Для решения этой задачи будут выполнены исследования по созданию методом МОС-гидридной эпитаксии совершенных метаморфных буферных слоев GaInAs на GaAs подложках со сниженной концентрацией прорастающих в фотоактивную область дислокаций и увеличенной эффективностью собирания неосновных носителей заряда, генерированных светом в p-n переходах на основе GaInAs слоев.
Имеется перспектива для дальнейшего увеличения КПД при разработке структур солнечных элементов с количеством каскадов более трех. Будут достигнуты реальные значения КПД фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения более 45% в 4-каскадных гетероструктурах. Будет достигнуто увеличение КПД и радиационной стойкости каскадных солнечных элементов для космических солнечных батарей, в том числе, на основе фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения. Будет достигнута удельная мощность до 400 Вт/м2 и срок активной работы на околоземных орбитах более 20 лет.
Будет выполнен комплекс исследований структур и технологий, обеспечивающих снижение резистивных и оптических потерь в солнечных элементах, работающих при сверхвысоких интенсивностях солнечного излучения, концентрированного до 500-1000 крат. Будут исследованы и разработаны новые методы изготовления защитных покрытий на чипах солнечных элементов, работающих в экстремальных условиях облучения концентрированным солнечным излучением.
Будет достигнуто повышение оптической эффективности концентраторов солнечного излучения, что необходимо для повышения общей энергоэффективности концентраторных фотоэлектрических модулей на основе каскадных солнечных элементов. Будет осуществлено согласование характера распределения облученности, определяемого аберрационными эффектами в линзе Френеля, с параметрами субэлементов в каскадном солнечном элементе. Будут разработаны вторичные концентрирующие элементы, необходимые для расширения функциональных возможностей фотоэлектрических установок с концентраторными модулями в части снижения требований к точности ориентации в направлении на Солнце.
Будут созданы установки с улучшенной точностью слежения за Солнцем (трекеров), что необходимо для эффективной эксплуатации энергоустановок с солнечными батареями на основе концентраторов излучения и каскадных фотоэлектрическими преобразователями.
Будут созданы установки для исследования и характеризации каскадных солнечных элементов, концентраторных фотоэлектрических модулей и солнечных батарей на их основе. Будет создана элементная база для устройств мониторинга фотоэнергосистем и для создания интеллектуальных систем управления потоком энергии в локальных энергосистемах.
Ожидаемые результаты
Основной результат выполнения проекта – разработка конструкции высокоэффективной фотоэнергосистемы на основе каскадных солнечных батарей. Освоение выпуска данных систем планируется на производственных площадях кластера «Солнечная энергетика». В ходе выполнения проекта будет развита технология изготовления ключевого элемента системы - каскадных солнечных элементов с характеристиками не хуже мировых аналогов, способных преобразовывать высококонцентрированное (до 2000 крат) солнечное излучение. Данная технология будет построена на использовании различных технологических подходов для решения задачи получения максимального КПД при минимальной себестоимости. Технологические разработки, полученные в ходе выполнения проекта, могут в дальнейшем быть использованы в солнечной энергетике космического назначения.
В состав фотоэнергосистемы будут входить разрабатываемые в проекте компоненты: концентраторные модули с КПД более 38%, системы слежения за положением Солнца с гибридным управлением, системы мониторинга, и системы интеллектуального распределения энергии для использования в составе автономных энергосистем.
Получение запланированных результатов возможно за счет проведения фундаментальных исследований мирового уровня в области полупроводниковых гетероструктур, которые могут быть востребованы не только в рамках данного проекта, но и в целом, всей современной оптоэлектроникой на базе материалов А3В5.
Передача выполненных разработок в промышленность и запуск производства фотоэнергосистем позволит вывести на рынок продукцию нового поколения, которая способна улучшить качество жизни миллионов граждан Российской Федерации, проживающих труднодоступных районах без централизованного электроснабжения преимущественно на удаленных территориях Сибири и Дальнего востока.
В ходе выполнения проекта будет опубликовано не менее 8 статей в изданиях, входящих в первый квартиль (Q1), и не менее 20 - в изданиях, входящих во второй квартиль (Q2) по импакт-фактору JCR Science Edition при выполнении задания по общему количеству публикаций.
