ФИЗИКА/ 2.Физика твердого тела.

Захарченко Р.В.^1,2, Воробйов Ю.В.²

¹Національний технічний університет України «КПІ», Україна

²Лабораторія дослідження матеріалів при Національному політехнічному інституті Мексики, відділення Керетаро, Мексика

Розробка прототипу оптимізованої ФЕП для гібридної ФЕ/термічної системи

Прототип оптимізованої ФЕП. Для забезпечення належного теплового контакту ми розробили власний дизайн ФЕП, використавши в якості підкладки для сонячних елементів алюмінієву пластину 2 мм завтовшки, покриту ізолюючою плівкою (рис. 1); поверх цієї плівки розмістили c-Si сонячні елементи (елементи розміром 85 × 85 мм² з ефективністю приблизно 20%, розроблені російським заводом “Красное знамя”). Всі елементи були послідовно сполучені і розміщені поверх скляної пластини, покриваючи останню; для герметичності конструкції система була заізольована з усіх боків силіконом.

Щоб вибрати тип ізолюючого покриття для Al підкладки ми провели спеціальне дослідження електричних властивостей SiO₂ золь-гель покриттів, вироблених за оригінальною технологією (деякі деталі були опубліковані в [1]); зокрема, були випробувані багатошарові покриття з різними пропорціями вода-ТЕОС. Окрім того, були приготовані та вивчені суміші золь-гель SiO₂ та ПММА. Слід зазначити, що такі покриття були об’єктами дослідження впродовж довгого проміжку часу, оскільки подібна технологія забезпечує явні переваги у порівнянні з методами іонного напилення, плазмового осадження або термічного окислення, так як така технологія є низькотемпературною (відпалювання, необхідне для створення склоподібного шару, може проходити при температурі нижчій за 70˚С). Однак, велика пористість золь-гель шарів призводить, зазвичай, до низької діелектричної якості шару. І, як результат спеціального дослідження, ми отримали деякі варіанти золь-гель шарів з високою напругою електричного пробою (дуже близькою за своїм значенням до напруги пробою SiO₂ плівок, отриманих термічним окисленням) на металічних та напівпровідникових підкладках. Один з них, це так званий “неорганічний золь-гель”, базується на використанні колоїдного двоокису кремнію з електрично зарядженими наночастинками SiO₂, призводить до створення напруженого матеріалу з закритими порами. Кінець кінцем ми зупинились у своєму виборі на ПММА з 5% домішкою золь-гель двоокису кремнію; це покриття має найкращу адгезію до Al (попередньо відполірованого), так само як і до інших металів, і має першокласну діелектричну якість.

Товщина ізолюючого покриття складала 2 мкм. Теплопровідність такої підкладки лише на приблизно 15% менша ніж для Al і складає величину в околі 200 Вт/(м·К). Щоб знайти ефективну теплопровідність k пластини зробленої з матеріалу (Al) з провідністю k₁ та товщиною d₁, покритої шаром товщиною d₂ з провідністю k₂, необхідно прирівняти теплові потоки через них

Підставляючи у (1) відповідні значення (а саме, k₁ = 237 Вт/(м·К), k₂ = 1,4 Вт/(м·К) [2], d₁ = 2 мм, d₂ = 2 мкм) ми отримаємо ефективне значення вище згаданої провідності. З нашою експериментальною панеллю ми отримали охолоджуючий ефект на генеровану ФЕП потужність близько 10%, що можна вважати гарним результатом, відповідним охолодженню панелі приблизно на 10 К (див. дані в [3]). Рис. 2 демонструє збільшення напруги холостого ходу прототипної панелі після того, як вона була приведена в тепловий контакт з СНК, це зростання спричинено охолодженням панелі, яка попередньо перебувала під впливом сонячного опромінення. Для цієї панелі були також знайдені інші параметри, як функція температури, а саме - струм електричного кола та коефіцієнт заповнення, а отже і к.к.д. (коефіцієнт корисної дії) також можна було розрахувати. На рис. 3 зображена залежність зміни ефективності від температури, яка доповнює вище згаданий охолоджуючий ефект. З рисунку 3 можна побачити збільшення к.к.д. ФЕП від 19% до 21%, що відповідає збільшенню ефективності приблизно на 10% від її початкового значення, а це означає гарну сумісність панелі з СНК.

Висновки. Для гібридної ФЕ/термічної системи в наших дослідженнях було продемонстровано (як теоретично, так і експериментально), що загально прийняте припущення про однаковість площ сонячної панелі (ФЕП) та сонценагрівного колектора (СНК) в гібридній ФЕ/термічній системі є некоректним: оптимальна конструкція системи потребує значно меншого розміру панелі, аніж розмір колектора, і необхідне її розміщення над вхідною частиною колектора, яка просторово відповідає входженню в колектор холодної води.

Комерційні моделі ФЕП, як правило, не забезпечують гарного термічного контакту з нагрівним колектором, бо матеріал підкладки панелі має мале значення теплопровідності. Був розроблений прототип оптимізованої панелі для гібридної ФЕ/термічної системи з використанням металічної підкладки, покритої тонким ізолюючим шаром. Розроблена прототипна модель забезпечила розв’язок поставленої попередньо задачі, даючи ефективне охолодження ФЕП колектором та демонструючи 10% збільшення потужності, генерованої панеллю, завдяки її термічному контакту з колектором в гібридній системі.

Література:

1. González-Hernández, J. Improved structural properties of SiO₂ sol-gel films [Текст] / J. González-Hernández, J. F. Pérez-Robles, A. Manzano-Ramirez, R. Ramı́rez-Bon, E. Prokhorov, Y. V. Vorobiev, F. J. Garcı́a-Rodrı́guez // Appl. Phys. Lett. – 1999. – Vol. 75. – P. 3192-3194.

2. Lide, D. R. Handbook of Chemistry and Physics, 80^th ed. [Текст] / David R. Lide, Editor-in-Chief., CRC Press, Boca Raton, London. - 1999-2000.

3. Torchynska, T. V. Current status of space and terrestrial solar energetics [Текст] / T. V. Torchynska // Optoelectron. Rev. – 1998. – Vol. 6 (2). – P. 121-130.