національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

Хамріт Мостефа

УДК 621.314.58

ПІДВИЩЕННЯ ефективності автономних

напівпровідникових систем електропостачання на основі сонячних елементів

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теоретичної електротехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Сенько Віталій Іванович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний Інститут”,

професор кафедри теоретичної електротехніки

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор, член- кореспондент НАН України

Рєзцов Віктор Федорович,

Інститут відновлюваної енергетики НАН України, м. Київ, заступник директора з наукової роботи

– кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Гуцалюк В’ячеслав Якович,

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,

старший науковий співробітник відділу

транзисторних перетворювачів

Провідна установа – Національний гірничий університет кафедра систем електропостачання Міністерства освіти і науки України,

м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “ 27 ” квітня 2006 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул.. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “22 ” березня 2006 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осичев О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Визначаючим фактором розвитку економіки людського суспільства є енергетика. Збільшення енергооснащеності промислової технології та зв’язаної з нею продуктивності праці базується на визначальних темпах росту виробництва електроенергії.

Аналіз процесів виробництва, передачі, розподілу та перетворення електроенергії свідчить про те, що великі резерви існують на етапі перетворення енергії, на який припадає близько 60 % від її виробництва. Тому зростає значущість ефективності пристроїв перетворювальної техніки, основу яких складають напівпровідникові перетворювачі.

Ресурси традиційних джерел енергії у попередній період забезпечували безперервне зростання економіки, проте в найближчому майбутньому обмеженість запасів природного палива приводить до зниження темпів виробництва та споживання енергії. Тому стає проблема розробки мір впливу на енергоємність існуючих технологій, створення нових технологій та альтернативних джерел енергії. У всьому світі провадяться дослідження практично по всіх відомих зараз напрямках пошуку нетрадиційних способів одержання енергії. Фотоелектричне перетворення сонячної енергії в електричну виявилось перспективним і екологічно чистим способом з невичерпним запасом енергії.

Сучасний стан перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою напівпровідникових сонячних елементів (СЕ) дозволяє використовувати їх для енергозабезпечення різних наземних об’єктів, які знаходяться у віддалених районах далеко від централізованих ліній електропередач. Проте висока вартість СЕ є основною причиною, що стримує наразі створення сонячних фотоелектричних станцій (СФС) промислово значущих потужностей.

Використання монокристалічного кремнію з відходів електронної промисловості створює передумови для випуску більш дешевих СЕ. Комутуючи модулі сонячної батареї (СБ) послідовно-паралельно, можна збільшувати або зменшувати робочі напруги та струм СБ для узгодження електричних характеристик СБ з енергоспоживачами. Внаслідок того, що кожний модуль СБ, у свою чергу, складається з послідовно-паралельно з’єднаних окремих елементів, кіл і секцій, не існує принципових обмежень на формування сонячних батарей практично на будь-яку напругу та струм.

Тому актуальним є підвищення ефективності та надійності автономних напівпровідникових систем електропостачання (СЕП) на основі сонячних елементів, а також комплексне вивчення способів зниження вартості СЕ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” у відповідності з розділами державної теми: “Розробка методів комп’ютерного аналiзу електромагнітних процесів і синтезу алгоритмів керування ними в перетворювачах електроенергії сучасних енергозберігаючих технологій” (№ ДР 0102U002201), де здобувач був виконавцем і ним проведена розробка математичних моделей для аналізу електромагнітних процесів у перетворювачах електроенергії сучасних енергозберігаючих технологій.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є створення автономних напівпровідникових систем електропостачання на основі дешевих і ефективних сонячних елементів, які одержують з відходів електронної промисловості.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:–

аналіз режимів роботи системи електропостачання автономних об’єктів, визначення умов відбору максимальної енергії від енергетичних установок;–

аналіз характеристик сонячних батарей та енергетичних співвідношень при функціонуванні батарей в різних енергетичних режимах і зовнішніх параметрах, що змінюються; –

аналіз режимів експлуатації та характеристик акумуляторних батарей, що працюють у системах електропостачання;–

розробка ефективної технології виготовлення сонячних елементів із монокристалічного кремнію на базі відходів електронної промисловості;–

модернізація окремих технологічних процесів виготовлення СЕ та дослідження впливу параметрів початкового матеріалу на вихід придатних СЕ;–

розробка технологічних способів відновлення вихідних параметрів СЕ, що забраковані;–

аналіз існуючих принципів побудови та можливих структур систем електропостачання;–

аналіз і побудова моделей споживачів електроенергії автономних об’єктів;–

удосконалення методик розрахунку та розробка математичних моделей для обчислення стаціонарних режимів роботи напівпровідникових перетворювачів, які входять у систему електропостачання;–

проведення експериментальних досліджень, що дозволяють обгрунтувати правильність вихідних припущень і достовірність одержаних наукових положень та результатів, ефективність запропонованих технічних рішень.

Об’єктом дослідження є система електропостачання автономного об’єкта, в склад якого входять сонячна та акумуляторна батареї, мережа електроживлення, електротехнічні навантаження та напівпровідникові перетворювачі електроенергії.

Предметом дослідження є характеристики напівпровідникових перетворювачів автономних систем електропостачання, а також енергетичні та якісні параметри сонячних елементів.

Методи дослідження. У роботі використані: методи математичного та фізичного моделювання, теорія лінійних та нелінійних диференціальних рівнянь, методи апроксимації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:–

удосконалено методику визначення втрат потужності в перетворювальних пристроях, які працюють в різних режимах;–

вперше побудовано моделі декотрих напівпровідникових перетворювачів постійного та змінного струму, що працюють в автономних системах електропостачання;–

одержано нові аналітичні залежності послідовного резонансного перетворювача при постійній провідності ключів, які відображають основні параметри перетворювача;–

удосконалено алгоритми керування ключами джерела безперебійного живлення та перетворювальної установки, що працює на мережу змінного струму, з метою забезпечення на виході синусоїдальних струму та напруги як при лінійному, так і при нелінійному навантаженнях;–

удосконалено ряд технологічних методів виготовлення високоефективних СЕ, що виготовляються з відходів електронної промисловості.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наведені в роботі висновки, залежності, графіки забезпечили можливість вибору напівпровідникових перетворювачів для автономних систем електропостачання та їх проектування. Отримані результати дозволили підвищити техніко-економічний рівень напівпровідникових перетворювачів не тільки в автономних об'єктах, але й при загально промисловому застосуванні.

Модифіковані технологічні методи: створення мілкозалягаючого р-n-переходу, створення струмознімних металевих контактів, термообробка СЕ та лудіння струмознімних контактних сіток, нанесення просвітлених покриттів Ї дозволяють виготовляти високоефективні СЕ з ККД до 14–15 % (при АМ1,5, Т = 20°С) з виходом придатних елементів більше 80 % з відходів електрон-ної промисловості. Вони впроваджені в дослідному дрібносерійному виробництві СЕ відділу фотоенергетики НВО “Фізика – Сонце” АНРУ, м. Ташкент, Узбекистан. Розроблено способи утилізації відбракованих СЕ. На основі розробленої з участю здобувача дисертації високопродуктивної технології виготовлення СЕ був створений ефективний, автономний і мобільний сонячний фотоелектричний комплекс наземного використання потужністю до 600 Вт (при прямому сонячному випромінюванні Е = 800 Вт/м2, Т= 25°С, умовах, максимально наближених до умов напівпустельних районів країн Магрибу), експлуатація якого на протязі 2 років дала позитивні результати.

Розроблений технологічний метод виготовлення ефективних СЕ може застосовуватися для серійного випуску СЕ на підприємствах електронної промисловості України, Узбекистану, Алжиру та інших країн.

Теоретичні та практичні результати, отримані в роботі, використовуються в навчальних курсах НТУУ “КПІ” при підготовці студентів з електроприводу, електромеханіки, електропостачання та електроніки.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, що виносяться на захист:

- схеми та алгоритми керування перетворювальними установками, що живляться від СБ;

- математичні моделі та графічні залежності для визначення регулювальних, енергетичних та фільтруючих характеристик перетворювачів постійного та змінного струмів автономних систем електропостачання;

- розрахункові співвідношення для визначення ККД перетворювачів постійної напруги різних типів;

- ефективний метод термообробки кремнієвих СЕ, суміщені в єдиному циклі з процесом лудіння струмоз’ємних контактів;

- спосіб легування монокристалічного кремнію фосфором методом дифузії від джерела багатократного використання;

- аналітичні вирази частоти збурень та розподілу температури в точках струмових каналів;

- експериментальні дослідження СЕ та напівпровідникових перетворювачів автономних систем електропостачання.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на: 1-й Національній конференції “Ріст кристалів” (м. Ургенч, 1997 р.); Міжнародній конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідникових приладів” (м. Ташкент, 1997 р.); V Міжнародній конференції “Нетрадиційна енергетика XXI віку” (Крим, 2004 р.); XXII Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки” (Київ, 2002 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка та енергоефективність” (Алушта, 2002 р., 2003 р., 2004 р.); семінарі Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, секція “Застосування силових напівпровідникових приладів у пристроях енергетичної електроніки” (Київ, 2002 - 2004 рр.).

Публікації

Основні положення і результати досліджень викладені та опубліковані у 18 наукових працях, з яких 7 статей у наукових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг дисертації складає 174 сторінки, з них 2 ілюстрації на 2 сторінках, 57 ілюстрацій за текстом, 1 таблиця на 1 сторінці, 6 таблиць за текстом, 1 додаток на 3 сторінках, 112 найменувань використаних літературних джерел на 11 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовані актуальність і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами, викладені наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, наведені дані про апробацію, публікації і впровадження.

У першому розділі розглянуто енергетичні установки автономних об’єктів (АО).

Ефективність роботи різних АО визначається в першу чергу їх енергетичним забезпеченням. Енергетика АО забезпечує енергоспоживання апаратури часто з достатньо складним графіком навантаження у часі. Наразі в АО застосовуються такі різноманітні установки, як паливні елементи та електрохімічні джерела струму з ККД 60–80 %, сонячні батареї (СБ) з фотоелектричними перетворювачами при ККД 12–15 % і напівпровідникові радіоізотопні установки з ККД 3 %.

Джерела первинної енергії незалежно від того, де вони знаходяться, для одержання первинної енергії повинні витрачати робоче тіло. У відповідності з цим по відношенню до перетворювача енергетичної установки АО джерела первинної енергії поділяються на джерела з обмеженою кількістю робочого тіла і джерела з необмеженою кількістю робочого тіла. У першому випадку робоче тіло в силу обмеженості його кількості треба економити, у другому випадку економити робоче тіло не треба. У відповідності з цим по різному може організовуватися електричний режим енергетичної установки. Джерелом первинної енергії, у якого кількість робочого тіла може вважатися необмеженою, є Сонце.

Для одержання від енергетичної установки максимальної кількості електричної енергії режим роботи перетворювача енергії при обмеженій кількості робочого тіла повинен обиратися в зоні максимального ККД, а в джерелах первинної енергії з необмеженою кількістю робочого тіла Ї в зоні максимальної вихідної потужності.

Сонячні батареї (СБ) відносяться до відновлювальних джерел електроенергії з необмеженою кількістю робочого тіла.

Аналіз характеристик СЕ показує, що для розробки та виготовлення ефективних СЕ особливу увагу треба приділяти можливості одержання структур з найменшим і . Для узгодженого режиму роботи СБ (максимально можливе використання джерела) треба забезпечити вихідну напругу СБ , яка відрізняється від напруги в оптимальній точці. При цьому номінальна напруга в узгодженому режимі визначається як

, (1) а узгоджена потужність СБ

, (2) де , , , , .

Аналіз виразу (2) показує, що при роботі СБ в узгодженому режимі втрати потужності від наявності пульсацій вихідної напруги СБ значно нижчі, ніж втрати у випадку роботи СБ у неузгодженому режимі (реальні значення ).

Аналіз характеристик СБ та енергетичних співвідношень при функціонуванні батарей у різних режимах і при зовнішніх параметрах, що змінюються, дозволили визначити особливості роботи систем електропостачання АО: нелінійність ВАХ; залежність характеристик від зовнішніх факторів; зменшення потужності під час функціонування; низькі значення питомої потужності; велика площа панелей батарей, що обмежується при проектуванні об’єкта; вплив змінної складової вихідної напруги на генеровану потужність; значне зменшення генерованої потужності при відхиленні від узгодженого режиму; регулювання вихідних параметрів за допомогою напівпровідникових перетворювачів, які встановлюють узгоджений режим роботи СБ (струм і напругу).

Внаслідок того, що графік енергоспоживання має суттєво нерівномірний характер як у межах одного циклу, так і на різних етапах експлуатації, відбувається чергування режимів роботи системи електропостачання (СЕП) (тому що, наприклад, генератор енергії СБ має обмежену потужність, яка сумірна з потужністю споживання), і, отже: а) можливий режим, коли потужність споживання перевищує потужність генератора електроенергії, а нестача потужності покривається за рахунок буферного джерела (акумуляторна батарея АБ, високовольтна мережа змінного струму) і в цьому випадку необхідно, щоб СБ працювала в режимі максимальної потужності, яка віддається; б) можливий режим, коли потужність, що споживається, менша потужності генератора електроенергії, і в цьому режимі надлишок потужності від СБ віддається в АБ або високовольтну мережу змінного струму, а СБ працює в режимі максимальної потужності, яка віддається.

Аналіз впливу зміни напруги АБ на величину можливої для використання ємності при різних значеннях розрядного струму показує, що використання ємності АБ можливе тільки при значній величині , що кардинально відрізняється від рекомендацій, одержаних для СБ, де найкраще використання СБ забезпечується, якщо . Тому для успішного функціонування АБ треба застосовувати перетворювальні пристрої, які змінюють вихідну напругу АБ.

Другий розділ присвячений підвищенню ефективності сонячних елементів, які застосовуються в автономних напівпровідникових системах електропостачання. Проаналізовано можливі шляхи одержання дешевої сонячної батареї. Розглянуто особливості стану струмових каналів фотоелектричних перетворювачів і елетротеп-лової нестійкості активних елементів фотобатарей. Досліджено вплив струмоз’ємних контактів на зменшення електричних втрат у СЕ, особливості підвищення ефективності СЕ технологічними методами, можливості збільшення ефективності забракованих структур СЕ.

Існує декілька шляхів зниження вартості (Ватта) електричної енергії, що виробляється СЕ: використання менш дорогих первинних матеріалів; використання оптичних концентраторів сонячного випромінювання; оптимізація технологічних процесів виготовлення СЕ.

У роботі показано, що зменшення співвідношення електричних провідностей та коефіцієнтів теплопровідності в ядрі та оболонці струмового каналу можна змінювати як вид ВАХ, так і спрямованість процесів термоміграції дефектів і домішок, визначаючих надійність струмонесучих елементів, а також те, що величина частоти збурень залежить від крутості ВАХ і може бути змінена при різних технологічних обробках.

У дисертації розглянуто додаткові технологічні методи, застосування яких приводить до поліпшення вихідних параметрів СЕ, а також досліджено вплив параметрів первинного матеріалу, що застосовується, на вихід придатних елементів і причини, що призводять до низьких значень вихідних параметрів СЕ. Електричні втрати в СЕ обумовлені в основному величиною послідовного опору , який складається з омічних опорів контактних доріжок, бази елемента, фронтального шару структури та переходу метал-напівпровідник. При цьому визначальний вплив виявляють два останні.

Розроблено та реалізовано доступний, ефективний метод термообробки СЕ, суміщений в єдиному технологічному циклі з процесом лудіння струмоз’ємних контактів у рідкому припої ПОС-61. Показано, що відпал кремнієвих СЕ у припої олово-свинець (60 % - 40 %) приводить до збільшення струму короткого замикання, коефіцієнта заповнення ВАХ і ККД СЕ.

Показано, що вихідні фотоелектричні параметри кремнієвого СЕ при відпалі його в лудильному припої залежать від температури припою, від тривалості відпалу, від зміни освітленості фронтальної поверхні та мають ділянку насичення, обумовлену двома конкуруючими процесами: поліпшенням струмових характеристик з термовідпалом і розчиненням напиленого струмового контакту.

Розроблено та реалізовано ефективний технологічний метод створення ізотипного бар’єра з тильного боку СЕ (дифузією фосфору з твердотільного джерела багатократного використання), суміщений в єдиному технологічному циклі з процесом виготовлення p-n-переходу на фронті (дифузією бору з твердотільного джерела багатократного використання). Це виключає взаємовплив дифузантів і приводить до поліпшення вихідних параметрів СЕ, збільшенню виходу придатних елементів і зменшенню трудовитрат виготовлення ефективних СЕ.

Сонячні елементи виготовлялися груповим методом, а фотоелектричні характеристики елементів вимірювалися в умовах АМ1,5 (, ). Аналіз одержаних результатів у порівнянні з контрольними зразками показав, що збільшилась на 10...25 мВ за рахунок створення ізотипного бар’єра, зросла з 28...30 до 32....34 мА/, а коефіцієнт заповнення ВАХ з 0,48....0,54 до 0,66....0,7. ККД кращих СЕ 15% та вище. Вихід придатних СЕ з ККД 11 % склав більше 80 %.

Поверхні СЕ на основі -структури на відміну від СЕ на основі КЕФ-4,5 не текстурувалися. У цих СЕ в середньому на 5....7 мВ більша, а на 2....3 мА/ менша, ніж у СЕ на основі КЕФ-4,5. Застосування додаткових технологічних операцій при виготовленні СЕ на основі -епітаксіальних структур поліпшило параметри СЕ. Коефіцієнт заповнення ВАХ (максимальне значення) у СЕ на основі -епітаксіальних структур 0,71....0,73, що більше ніж у СЕ на основі КЕФ-4,5.

Досліджувалась можливість відновлення забракованих СЕ і підвищення їх ефективності технологічними методами.

На дослідному виробництві НВО “Фізика-Сонце” були виготовлені та досліджені більше 30 тисяч СЕ на основі первинних матеріалів КЕФ-4,5, КДБ-90 і -епітаксіальних структур. При вимірюванні вихідних параметрів і розбраковці СЕ нижньою межею прийнятий ККД 8 %. ККД СЕ для фотоактивної поверхні без урахування площі струмоз’ємної контактної сітки складав 13....14 %.

Вихід придатних СЕ у нашому випадку 60-90 %. Загальна кількість забракованих СЕ склала біля 7 тисяч. На основі статистичних даних по забракованих СЕ вивчені причини невеликих значень їх вихідних параметрів. Забраковані структури СЕ поділені на три групи: І Ї низькі значення при відносно високих значеннях ; ІІ Ї низькі значення та ; ІІІ Ї дуже низькі значення та . Для всіх трьох груп .

Додаткові технологічні операції відновлення вихідних параметрів забракованих СЕ не відрізняються від операцій виготовлення власно СЕ. Загальними для всіх груп забракованих структур СЕ є вилучення фронтальних контактів, фронтального просвітлюючого покриття, хімічне очищення та сушіння. Потім для кожної з трьох груп забракованих структур СЕ проводилися різні види технологічної обробки.

Забраковані СЕ першої групи проходили хімічну або хіміко-механічну обробку з метою вилучення окисних неоднорідних плям з фронтальної поверхні структур. З урахуванням причин виникнення браку в структурах другої групи переглянута операція напилення струмоз’ємних контактів, особливо нижніх шарів титану та нікелю. Забраковані структури СЕ третьої групи після зняття струмоз’ємних контактних шарів, просвітлюючого покриття, хімічного очищення та сушіння поверхні проходили процес формування дифузійного шару для створення p-n-переходу та всі інші технологічні операції виготовлення СЕ.

У всіх без винятку структурах на основі КЕФ-4,5 спостерігалось збільшення ККД. Проте СЕ з ККД вище 8 % складають не більше 85 %. Максимальне значення ККД складає 14 %. Для всіх досліджуваних структур з ККД більше 8 % коефіцієнт заповнення ВАХ складав 0,58....0,62.

У третьому розділі розглянуто основні принципи побудови та аналіз можливих структур систем електроспоживання.

Аналіз функціонально необхідної точності підтримання напруги живлення для різних споживачів одного з АО (дискретна електроніка, аналогова електроніка, електродвигуни, комутаційна апаратура, освітлення та індикація, терморегулювання) показує надзвичайно широкий спектр вимог Ї від практичної нечутливості до зміни напруги живлення до необхідності прецизійної стабілізації. Більш правильно розглядати допуск відхилення номінальної напруги системи електропо-стачання в функції енергетичної реакції споживачів (тобто від додаткових втрат у споживачах і системи при нестабільній напрузі мережі).

Поза залежності від функціонального призначення апаратури та її апаратного виконання, усе споживання АО представляє собою комбінацію чотирьох типів споживачів електроенергії Ї споживання при , , та з проти-ЕРС (R,E). Для цих споживачів побудовані моделі, які є базою для розробки моделі енергоспоживання автономного об’єкта і які застосовуються для розробки алгоритмів ефективного використання електроенергії.

Вплив зміни напруги на величину споживаної електроенергії враховується коефіцієнтом , який показує, наскільки реально споживана даним споживачем середня потужність більша за потужність, необхідну для виконання цим споживачем своєї функціональної задачі ,

. (3)

На рис. 1 приведені залежності коефіцієнта від співвідношення для зміни напруги живлення в діапазоні величин, що реально зустрічаються ( Ї для трикутної змінної складової напруги живлення; Ї для прямокутної змінної складової). Таким чином, нестабільність напруги живлення приводить до додаткових втрат потужності при живленні споживачів потужністю . Причому величина втрат потужності зростає із збільшенням нестабільності вхідної напруги.

Головною задачею систем електропостачання (СЕП) є забезпечення необхідного рівня споживаних електричних потужностей за визначеною програмою протягом заданого періоду часу. На сучасних АО потужність СЕП складає декілька десятків кіловат. СЕП вміщує основний та додатковий джерела енергії; регулятори, перетворювачі електричної енергії; зарядні та розрядні пристрої для акумуляторної батареї; пристрої захисту та комутації. Основне джерело електричної енергії забезпечує живлення споживачів у діапазоні середньої потужності, а додаткове Ї при пікових навантаженнях.

Джерела живлення та перетворювальні пристрої, які ввімкнені тим або іншим чином, складають структуру СЕП. Зараз у централізованих СЕП використовуються паралельні або послідовні структури, назви яких показують розташування перетворювальних пристроїв відносно навантаження або первинного джерела.

Для того, щоб забезпечити нормальне функціонування джерел енергії СЕП, необхідно забезпечити узгоджений режим первинного джерела (в оптимальній точці з мінімальними пульсаціями вихідної напруги), а також забезпечити зміну напруги на виході АБ для більш повного використання її енергії. Крім того, для виключення додаткових втрат у навантажувальному обладнанні треба стабілізувати вихідну напругу системи та забезпечити живлення споживачів стабільною, постійною за величиною напругою.

Аналіз можливих структур СЕП показав, що функцію узгодження джерел і споживачів здійснюють напівпровідникові перетворювальні пристрої (зарядно-розрядні схеми та регулятори), які в будь-якому режимі виконують декілька функцій: забезпечують режим роботи СБ у точці максимальної узгодженої потужності; стабілізують напругу на навантаженні при зміні напруги на АБ і СБ; здійснюють оптимальний режим заряду та розряду АБ; виконують захисну функцію; здійснюють перерозподіл потужностей між джерелами в усіх режимах.

У роботі розглянуто шість варіантів перетворювальних пристроїв, які здійснюють паралельні та послідовні структури, розроблено частинні методики розрахунку і проектування вузлів і блоків (з великої множини) систем електропостачання. Виявлено, які схеми мають найбільший ККД.

У четвертому розділі розглянуті перспективні схеми напівпровідникових перетворювачів для систем електропостачання автономних об’єктів.

У роботі приведена структурна схема інвертора напруги (рис. 2) для джерела безперебійного електроживлення ДБЖ, яка реалізує спосіб регулювання струму конденсатора фільтра при синусоїдальній вихідній напрузі. Вибір струму конденсатора в якості змінної зворотного зв’язку приводить до стабільної роботи ДБЖ і забезпечує синусоїдальність струму конденсатора, хоча це не гарантує синусоїдальності напруги на конденсаторі (навантаженні), особливо при ШІМ. Тому для одержання синусоїдальних напруги і струму конденсатора також використаний контур зовнішнього зворотного зв’язку за напругою на конденсаторі. Така конфігурація системи керування має переваги для ДБЖ: внутрішній струмовий зворотний зв’язок обмежує максимальне значення струму у силовому колі, особливо при пуску ДБЖ; так як струм конденсатора відображає швидкість зміни напруги на навантаженні, схема може прогнозувати та усувати можливі відхилення напруги на навантаженні, що забезпечує добрі динамічні властивості системи. Зовнішній зворотний зв’язок за на пругою регулює напругу на навантаженні та гарантує синусоїдальну напругу на навантаженні при ТНD<5 %.

На рис. 3 приведені осцилограми зміни напруги та струму на виході експериментального модуля ДБЖ при 100-відсотковому накиді навантаження. Розглянута схема забезпечує синусоїдальну напругу як на лінійному, так і на нелінійному навантаженні при будь-яких коефіцієнтах потужності широке регулювання напруги, а також володіє добрими динамічними властивостями.

У дисертаційній роботі розглянуто схеми перетворювачів постійного струму (Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, Sepic, Zeta) з демпферувальним конденсатором і додатковим транзистором, які дозволяють забезпечити плавне перемикання при нульовій напрузі. Схема знижувального перетворювача (Buck) приведена на рис. 4.

Вихідна напруга визначається виразом:

(VD3 закривається першим), (4)

(VD2 закривається першим), (5)

де , , , .

Застосування активного демпфера дозволяє транзисторам перетворювача працювати на високих частотах і зменшити втрати потужності на 36 % у порівнянні з використанням звичайного RCD-демпфера.

У роботі проведено частотний аналіз характеристик резонансного послідовного перетворювача постійної напруги, який дозволяє одержати зручні аналітичні залежності при постійній провідності транзисторів інвертора. Перетворювач забезпечує регулювання вихідної напруги в широкому діапазоні зміни навантаження, забезпечує працездатність на холостому ході та захищений від короткого замикання на всіх частотах крім резонансної.

Розглянута перетворювальна установка, що забезпечує сумісну роботу СБ і мережі змінного струму (рис.5), для якої:

, ,

, . (6)

Перевірка результатів моделювання системи з результатами, одержаними на експериментальній установці потужністю 750 Вт показала хороше співвідношення результатів.

На рис. 6 приведені залежності ККД та коефіцієнта потужності перетворювальної установки, які показують що ККД установки при потужностях 100?700 Вт перевищує 90 %, а коефіцієнт потужності близький до одиниці.

ВИСНОВКИ

У дисертацій роботі запропоновані шляхи створення автономних напівпровідникових систем електропостачання на основі дешевих і ефективних сонячних елементів, які одержують з відходів електронної промисловості. Одержані в дисертації результати в сукупності є значним внеском у подальший розвиток ефективних перетворювачів для народного господарства. При цьому одержані наступні основні результати:

1. Встановлено вплив зовнішніх параметрів, які змінюються, та різних енергетичних режимів, на характеристики СБ і одержані енергетичні співвідношення, що дозволило обґрунтувати створення методів і схем регулювання напруги (або її стабілізації) з регулятором екстремальної потужності.

2. Розроблено ефективний, екологічно нешкідливий, технологічний спосіб легування монокристалічного кремнію фосфором методом дифузії від твердотільного джерела багатократного використання , який дозволяє знизити трудовитрати на технологію виготовлення СЕ.

3. Розроблено та реалізовано доступний, ефективний метод термообробки СЕ, суміщений в єдиному технологічному циклі з процесом лудіння струмоз’ємних контактів у рідкому припої олово-свинець, і який зменшує трудовитрати на виготовлення ефективних СЕ.

4. Показано, що відпал кремнієвих СЕ у лудильному припої приводить до поліпшення адгезії струмоз’ємних контактів, що обумовлює зниження послідовного опору переходу метал-напівпровідник, сприяє селективному травленню фронтальної поверхні СЕ. Це приводить до структуризації приповерхневої області елемента, а отже, зменшенню товщини “мертвого” шару, коефіцієнта відбиття світлового випромінювання та коефіцієнта рекомбінації неосновних носіїв заряду в приповерхневій області. Все це приводить до збільшення струму короткого замикання та коефіцієнта заповнення ВАХ s ККД СЕ.

5. Розроблено додаткові технологічні операції для зміни топології струмоз’ємних контактів, текстурування фронтальної поверхні, створення ізотипного бар’єра на тильному боці та двошарове просвітлення СЕ, що дозволяє збільшити ККД сонячних елементів, виготовлених на основі -структур з епітаксіальним шаром більше 35 мкм і КЕФ-4,5 з відходів електронної промисловості відповідно від 8 і 10 % до 13 і 15 %.

6. Удосконалено методику визначення втрат потужності в перетворювачах постійної напруги різних типів. Одержані співвідношення дозволяють враховувати їх при проектуванні перетворювальних пристроїв і тим підвищити якість проектування. Для зменшення втрат потужності запропоновано схеми перетворювачів доповнювати активним демпферувальним пристроєм, який дозволяє зменшити втрати на перемикання на 30-40 %.

7. Розроблено нові математичні моделі та одержані графічні залежності, що визначають регулювальні, енергетичні та фільтрувальні характеристики перетворювачів постійного та змінного струмів, які працюють в автономних системах електропостачання. Моделі дозволяють визначити усталенні значення змінних системи, що виражені через параметри навантаження та фільтра, і відображають стійку робочу точку системи, а також дозволили розробити методику розрахунку силового кола перетворювачів, яка точніше раніше відомих визначає робочі струми та напруги в елементах схеми, підвищуючи вірогідність проектування.

8. Удосконалено алгоритми керування ключами, які забезпечують на виході перетворювачів синусоїдальні струми та напруги при лінійному та нелінійному навантаженнях, забезпечуючи при цьому коефіцієнт потужності близький до одиниці.

9. Запропоновано методику частотного аналізу усталених режимів послідовного резонансного конвертора, яка дозволила одержати зручні аналітичні розрахункові формули при постійній провідності ключів інвертора. Показано, що конвертор дозволяє регулювати вихідну напругу в широкому діапазоні зміни опору навантаження, якщо передавальна функція послідовного резонансного контуру близька до нуля, і у вузькому діапазоні, якщо вона близька до одиниці. При цьому конвертор залишається працездатним на холостому ході та захищеним від короткого замикання на всіх частотах, крім резонансної або близьких до неї частотах.

10. Вірогідність та обґрунтування наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням конкретних методів досліджень, збігом теоретичних результатів з експериментальними даними, результатами моделювання і раніше відомими за літературними джерелами даними.

11. Результати досліджень та рекомендацій дисертаційної роботи використані при розробці напівпровідникових перетворювачів автономних систем електропостачання і в навчальному процесі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Али Ф.А., Мухаммад З., Турсунов М.Н., Хамрит М.. Эффективный источник диффузии многократного использования для солнечных элементов. // Гелиотехника. – 1996. – № 4. – С.82 – 84.

Здобувачу належать експериментальні дослідження формування ізотопного бар’єра.

2. Али Ф.А.,.Муминов Р.А., Очилов С.М., Турсунов М.Н, Хамрит М. Автономный солнечный фотоэлектрический комплекс – источник электропитания сельхозобъектов. // Гелиотехника. – 1996.-№ 4. – С.37 – 40.

Здобувачу належить структурна схема автономного фотоелектричного комплексу.

3. Муминов Р.А., Али Ф.А., Захидов Р.А., Очилов С.М.,.Турсунов М.Н, Хамрит М. Исследование возможности увеличения эффективности забракованных структур солнечных элементов технологическими методами. //Гелиотехника. – 1996. – № 5. – C. 34 – 39.

Здобувачу належать дослідження впливу текстурування СЕ на ККД СЕ.

4. Дадамухамедов С., Муминов Р.А., Мухаммад З., Турсунов М.Н., Хамрит М. Исследование влияния термоотжига токосъемных контактов в жидкой фазе на свойства солнечных элементов // Гелиотехника. – 1996. – №6. – C. 73 –76.

Здобувачу належать дослідження впливу термовідпалювання струмоз’ємних контактів

5. Дадамухамедов С., Муминов Р.А., Турсунов М.Н., Хамрит М., Эсенкулов К.А. Повышение эффективности солнечных элементов технологическими методами. // Гелиотехника. – 1997. – № 2. – C. 3 – 7.

Здобувачу належать дослідження сонячних елементів на основі КДБ-10.

6. Дадамухамедов С., Муминов Р.А., Турсунов М.Н., Хамрит М. Система электрического освещения от солнечной батареи. // Гелиотехника. – 1998. – № 5. – C. 81 –83.

Здобувачу належить структурна схема автономного фотоелектричного комплексу.

7. Сенько В.И., Сенько Л.И., Хамрит М. Резонансный последовательный преобразователь постоянного напряжения // Електроніка та зв’язок. – 2002. – №15. – С. 25 29.

Здобувачу належать аналітичні вирази коефіцієнта корисної дії послідовного резонансного перетворювача та результати фізичного моделювання.

8. Сенько Є.В., Сенько Л.І., Хамріт М. Перетворювач постійного струму з активним демпфірувальним пристроєм // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія: технічні науки. – Чернігів: ЧДТУ. – 2002. – №18. – С. 83 88.

Здобувачу належать аналітичні вирази для режиму тривалої роботи перетворювача.

9. Сенько В.И., Сенько Е.В., Сенько Л.И., Хамрит М. Преобразовательная установка, работающая на сеть переменного тока //Технічна електродинаміка. – Київ, 2002. – Темат. випуск. – Ч. 1. – С. 62 65.

Здобувачу належить структурна схема системи керування перетворювальної установки та експериментальні результати.

10. . Сенько В.И., Сенько Е.В., Хамрит М., Сенько Л.И., Юрченко Н.Н. Однофазный инвертор напряжения для источников бесперебойного электропитания //Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2003. – Вип. 10. Т. 1. – С. 208 210.

Здобувачу належить алгоритм керування джерелом безперебійного живлення.

11. Самков А.В., Суржик Т.В., Хамрит М. Электротепловая неустойчивость активных элементов электрических цепей с нелинейной вольт-амперной характеристикой источника // Технічна електродинаміка. – Київ, 2003. – Темат. Випуск. – Ч. 3. – С. 108 – 113.

Здобувачу належить аналітичний вираз для частоти збурень.

12. Макаренко М. П., Сенько В.І., Хамріт М. Напівпровідникові перетворювачі автономних систем електроспоживання // Технічна електродинаміка. – Київ, 2004. – Темат. випуск. – Ч. 2. – С. 20 – 23.

Здобувачу належить напівпровідниковий перетворювач, який використовується разом з сонячною батареєю.

13. Кудря Т.С., Суржик Т.В., Хамріт М. Неоднорідні структури розподілу електричних полів, температур і концентрації домішок у середовищах при розвитку нестійкостей. //Відновлювана енергетика. – Київ: ІВЕ НАН України. – 2005. – №1 – 2005. – С. 26 - 32.

Здобувачу належить аналітичний вираз для визначення розподілу температури в точках струмових каналів.

14. Суржик Т.В., Шевчук В.И., Хамрит М. Особенности температурного состояния тепловых каналов с неоднородными электрическими и тепловыми пара-метрами //Праці Інституту електродинаміки НАН України. – Київ: ІЕД НАН України. – 2003. – №3 (6). – С. 20 –24.

Здобувачу належить аналітичний вираз для визначення розподілу температури в точках струмових каналів.

15. Али Ф.А., Дадамухамедов С., Саидов А.С., Турсунов М.Н., Хамрит М. Кремниевый двухсторонний солнечный элемент, полученный методом жидкофазной эпитаксии. //Труды 1-й национальной конференции Рост кристаллов – Ургенч: Узбекистан. – 1997. – С. 22-23.

Здобувачу належить вирощування епітаксіальних шарів методом рідинофазної епітаксії з розчину олова.

16. Саидов А.С., Сапаров Д.В., Турсунов М.Н., Хамрит М. Исследование процесса селективного роста кремниевых эпитаксиальных слоев из жидкой фазы //Труды Междунар. конф. “Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов” – Ташкент: Узбекистан. – 1997. – С. 52-53.

Здобувачу належить вирощування епітаксіальних шарів кремнію, легованих індієм із розчину олова.

17. Кудря Т.С., Суржик Т.В., Хамрит М. Пространственно-неоднородные структуры, формирующиеся при взаимодействии солнечного излучения с нелиней-ными средами //Труды V Междунар. конф. “Нетрадиционная энергетика XXI века”. Николаевка. Украина. – 2004. – С.69 – 70.

Здобувачу належить аналітичний вираз для частоти збурень

18. Хамрит Мостефа. Комбинированная теплоэнергетическая установка с использованием фотоэлементов и отражателей /Каз. НИИ энерг. Им. Ш. Ч. Чокина (КазНИИЭ). – Алматы, 1999. – 3 с. – Рус. – Деп. В КазгосИНТИ 20.09.99, № 8685 – Ка99.

Здобувачу належить створення комбінованої установки з фотоелементом для спільної віробки електричної та теплової енергії.

Анотації

Хамріт М. Підвищення ефективності автономних напівпровідникових систем електропостачання на основі сонячних елементів. Ї Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. Ї Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена створенню автономних напівпровідникових систем електропостачання на основі дешевих і ефективних сонячних елементів, які одержують із відходів електронної промисловості. Удосконалено методику визначення втрат потужності в перетворювальних пристроях, які працюють в різних режимах. Вперше побудовано математичні моделі деяких напівпровідникових перетворювачів постійного та змінного струму, що працюють в автономних системах електропостачання. Одержано нові аналітичні залежності послідовного резонансного перетворювача при постійній провідності ключів, які відображають основні параметри перетворювача. Удосконалено алгоритми керування ключами джерела безперебійного живлення та перетворювальної установки, що працює на мережу змінного струму, з метою забезпечення на виході синусоїдальних струму та напруги як при лінійному, так і при нелінійному навантаженнях. Удосконалено ряд технологічних методів виготовлення високоефективних сонячних елементів, що виготовляються з відходів електронної промисловості.

Ключові слова: напівпровідниковий перетворювач напруги, інвертор, джерело безперебійного живлення, математична модель, сонячний елемент, автономна система електропостачання.

Хамрит М. Повышение эффективности автономных полупроводниковых систем электроснабжения на основе солнечных элементов. Ї Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. Ї Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена созданию автономных полупроводниковых систем электроснабжения на основе дешевых и эффективных солнечных элементов, получаемых из отходов электронной промышленности.

В результате выполненного анализа установлено влияние изменяющихся внешних параметров и различных энергетических режимов на характеристики СБ и получены электрические соотношения, что позволило обосновать создание методов и схем регулирования напряжения (или его стабилизации) с регулятором экстремальной мощности.

Разработан эффективный, экологически безвредный технологический способ легирования монокристаллического кремния фосфором методом диффузии от твердотельного источника многократного использования, позволяющий снизить трудозатраты на технологию изготовления СЭ.

Разработан и реализован доступный, эффективный метод термообработки СЭ, совмещенный в едином технологическом цикле с процессом лужения токосъемных контактов в жидком припое олово-свинец, который уменьшает трудозатраты на изготовление эффективных СЭ.

Показано, что отжиг кремниевых СЭ в лудящем припое приводит к улучшению адгезии токосъемных контактов, что обусловливает снижение последовательного сопротивления перехода металл-полупроводник, способствует селективному травлению фронтальной поверхности СЭ. Это приводит к структуризации приповерхностной области элемента, а следовательно, к уменьшению толщины “мертвого” слоя, коэффициента отражения светового излучения и коэффициента рекомбинации неосновных носителей заряда в приповерхностной области. Все это приводит к увеличению тока короткого замыкания, коэффициента заполнения ВАХ и КПД СЭ.

Разработаны дополнительные технологические операции для изменения технологии токосъемных контактов, текстурирования фронтальной поверхности, создания изотипного барьера на тыльной стороне и двухслойное просветление СЭ, что позволяет увеличить КПД солнечных элементов, изготовленных на основе n-n+ -структур с эпитаксиальным слоем более 35 мкм и КЭФ-4,5 из отходов электронной промышленности, соответственно от 8% и 10% до 13% и 15%.

Усовершенствована методика определения потерь мощности в преобразователях постоянного напряжения различных типов.