Наноразмерные покрытия для повышения энергетической эффективности гелиоустановок

Электрификация и теплофикация процессов сельскохозяйственного производства существенно расширяет возможности повышения производства, сохранности и качества продукции, а также улучшения экологической обстановки и условий труда.

Однако решение этих задач связано с необходимостью значительного роста потребления электроэнергии и топлива [1]. В связи с этим и увеличением стоимости топлива во многих странах ведутся работы по внедрению новых видов энергии. Важное значение имеет вовлечение в энергобаланс сельскохозяйственных потребителей солнечной энергии [2].

Перспективность автономного использования солнечной энергии обусловлена распределённостью потребителей и возможностью их комбинации для круглогодичного использования. В первую очередь речь можно вести об энергии солнца для производства как электрической, так и тепловой энергии [3…5].

Так как в себестоимости продукции энергозатраты составляют 40…70%, то энергосбережение является важнейшим показателем эффективности работы тепличных комбинатов и гелиоустановок [6].

Применяемые в сельском хозяйстве зимние теплицы и гелионагреватели обладают низким коэффициентом полезного действия. Одним из путей его повышения является уменьшение потерь энергии через остекление в дальней ИК-области (рис. 1). В этой области спектра Солнца ( Х >12000 нм) атмосфера практически непрозрачна (рис. 2) [7].

Уравнение теплового баланса для воздуха в теплице имеет следующий вид:

Q B = Q K + Q c ⁺ Q Y + Q p ⁺ Q n ,    ⁽¹⁾

где Q_B - количество тепла во внутреннем объёме воздуха в теплице;

Q_K - количество тепла в теплице, передаваемого от отопления;

Q_c - количество тепла, передаваемого наружу через остекление;

Q_p - количество тепла в теплице от солнечной радиации;

Q_n - количество тепла в теплице, передаваемого почве;

Q Y - количество тепла, передаваемого наружу в результате фильтрации воздуха с улицы и вентиляции, оно зависит от температуры воздуха улицы, состояния кровли и от скорости ветра [5].

Рис. 1. Схема теплообмена теплицы

Динамику теплообмена теплицы можно описать уравнениями, характеризующими теплообмен между воздухом теплицы и остеклённой поверхностью, остеклённой поверхностью и наружным возду-хом.Тепловая мощность, передаваемая в окружающую среду через остекление теплицы или гелиоколлектора, равна:

Q = a-F -(Т -Т  ),       (2)

c            ос      в       нар где a - коэффициент теплопередачи от внутреннего воздуха к наружному, (Вт/(м2-К);

Ғ_ос - площадь поверхности остекления, м 2 ;

Т в - температура внутренней поверхности остекления, К ;

Т нар. — температура наружной поверхности остекления, К .

1   !    1     ! § ст

α в   α нар   λ ст

где а в - коэффициент теплоотдачи воздушной среды теплицы к внутренней стеклянной поверхности, (Вт/(м² - К);

а нар - коэффициент теплоотдачи внешней стеклянной поверхности теплицы к наружному воздуху, (Вт/(м² - К);

5_ст - толщина стекла, м;

Л_ст - теплопроводность стекла, Вт/(м - К).

Длина волны, нм

Рис. 2. Спектр излучения Солнца

В данном случае коэффициент теплоотдачи воздушной среды к стеклянной поверхности теплицы а в зависит от коэффициента отражения ( R вн. ) внутренней поверхности остекления в ИК-области, т.е. a 3 =f(R_BH . ). Следовательно, одним из способов повышения энергетической эффективности теплиц и гелиоколлекторов является нанесение на внутреннюю поверхность остекления отражающих в ИК-области спектра и прозрачных в области (0,3 мкм ≤ λ≤ 1,1 мкм) покрытий. Таким образом, будет изменяться коэффициент теплопередачи α , а следовательно, и температурный режим теплицы и гелиоустановки.

Исследование спектров пропускания T=f(Л) и отражения R=f(Л) в видимой области (350... 700 нм) и в ИК-области (2500…25000 нм) структур стекло/СТО показало, что слои станната кадмия СТО имеют прозрачность 85...90% в видимой области спектра, а в ИК-области - высокий коэффициент отражения 80...90% (рис. 3). Это позволяет сделать вывод о возможности использования их в качестве тепловых фильтров-отражателей для гелиоколлекторов и теплиц.

Для проверки возможности использования СТО в качестве фильтров-отражателей в дальней ИК-области были изготовлены два микропарника, верхняя поверхность одного покрывалась стеклом без слоя СТО, а другого - стеклом со слоем СТО (800 нм< h < 1100 нм) [8]. В парники были вмонтированы идентичные термопары, с помощью которых измерялась температура внутри парника. После нагрева микропарников до одинаковой температуры снималось изменение температуры внутри парников в зависимости от времени.

Ряд1

Ряд2

Ряд3

Ряд4

Рис. 3. Спектры пропускания (Т) и отражения (R) плёнок СТО, 1^3 - T=f( X ); 4 - R=f( X )

Результаты эксперимента показали, что при использовании стекла с покрытием из СТО тепло внутри парника сохраняется дольше. Это обусловлено тем, что температура почвы в парнике (20...30 ° С) соответствует излучению в дальней ИК-области (5…25 мкм), которое и отражается слоём СТО внутрь парника.

Для теплицы «Фитотрона» были проведены производственные испытания отражающих в ИК-области спектра прозрачных проводящих покрытий на основе СТО. Покрытия наносились на боковые стёкла и стёкла крыши секции теплицы площадью 40 м². Было установлено, что температура почвы в этой секции была выше на 2-3 ° С, чем в соседних секциях. Расход энергии на обогрев секции теплицы при этом снизился на 15%.

Перспективы широкого применения солнечных батарей связаны как с проблемой повышения КПД и снижения их удельной себестоимости, так и с факторами, возникающими при воздействии внешней среды и времени [9].

Повышение энергетической эффективности солнечных модулей (СМ) может осуществляться за счёт увеличения доли солнечного излучения, попадающего в область p-n-перехода фотопреобразователя. Исследования спектров отражения монокристаллического и поликристаллического кремния в области 300…12000 нм показали, что 80…85% подающего излучения отражается и только лишь 15…20% проникает в глубь кремния (рис. 4).

Одним из перспективных путей увеличения энергоэффективности СМ является применение просветляющих покрытий прозрачных не только в видимой, но и в ультрафиолетовой области спектра [7]. Применяемые для этой цели просветляющие покрытия на основе сульфида цинка или оксида тантала имеют довольно узкий минимум коэффициента отражения в видимой области спектра (рис. 5). Они позволяют увеличить долю прошедшей в p-n-об-ласть солнечной энергии на 5…10%.

а

б

Рис. 4. Схема взаимодействия излучения с ФЭП:

а – без просветляющего покрытия; б – с просветляющим покрытием; 1 – p-слой ФЭП, 2 – n-слой ФЭП; 3 – защитное просветляющее покрытие; 4 – падающее на ФЭП; излучение; 5 – отражённое излучение; 6 – прошедшее в область p-n-перехода излучение

Покрытия (300 нм≤h≤600 нм) на основе аморфного гидрированного углерода (α-C:H) прозрачны в видимой и ближней ультрафиолетовой областях. Коэффициент отражения системы Si/α-С:Н меньше, чем системы Si/ZnS, а ширина минимума больше (рис. 5). Их применение в качестве просветляющих покрытий позволяет снизить долю отражённой солнечной энергии в видимой и ближней УФ областях спектра до 25…30% и, соответственно, приводит к увеличению энергетической эффективности СМ.

Для оценки практического использования слоёв на основе α -C:H в качестве просветляющих покрытий были проведены испытания солнечных модулей типа PVM-60. Данные испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний покрытий на солнечных модулях типа PVM-60 при стандартном освещении

Параметры PVM-60	Напряжение холостого хода U х.х. , мВ	Ток короткого замыкания I к.з., , мА
PVM-60 без просветляющего покрытия	515	64
PVM-60 с просветляющим покрытием из ZnS*	530	70
PVM-60 с просветляющим покрытием из α -C:H	543	80

ZnS – стандартное просветляющее покрытие, используемое в технологии предприятия.

Длина волны, нм

Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от длины волны:

1 – система Si/ZnS; 2 – система Si/ α -C:H

Из сопоставления результатов испытаний видно, что покрытия на α -C:H, полученные плазмохимическим напылением, увеличивают напряжение холостого хода на 5…8% и ток короткого замыкания на 15…25%, что доказывает эффективность их применения.

Напряжение холостого хода СМ заметно возрастает при увеличении ширины запрещённой зоны р-слоя. Это может быть связано с увеличением разности потенциалов ( Δϕ ) между р- и n-слоями солнечного модуля.

^ф = E  -Е^-Е n,      (4)

опт-      f       f где Ε - оптическая ширина запрещённой зоны;

Ε ^p и Ε ⁿ – энергии Ферми в валентной зоне р- и n-слоёв соответственно.

Электрооптические свойства р-слоёв можно варьировать в довольно широких пределах изменением технологических параметров осаждения и состава плазмообразующей смеси.

Применение р-слоёв на основе аморфного гидрированного карбида крем- ния должно быть целесообразно для решения следующих задач:

• 1)    снизить потери при поглощении фотонов в неактивной области р-слоя;

• 2)    увеличить напряжение холостого хода и фактор заполнения увеличением потенциального барьера на p/i-границе раздела (рис. 6). В работе исследовалось влияние электрооптических свойств (темнового удельного сопротивления, энергии активации проводимости, оптической ширины запрещённой зоны и показателя преломления) р-слоя (200 нм≤h ≤ 300 нм) на основе аморфного гидрированного кремния α -Si1-хCх:H на характеристики СМ. Нанесение р-слоёв производилось плазмохимическим методом в плазме тлеющего разряда в процессе изготовления солнечных элементов. Состав плазмы – моносилан SiH4 + метан CH4 и диборан B2H6. p-слои толщиной 10 нм осаждались на проводящие токосъёмные слои ITO, нанесённые на стеклянную подложку (рис. 6).

Плотность тока короткого замыкания СМ возрастала на 5…10% при увеличении ширины запрещённой зоны от 1,7 до 2,1 эВ.

Поток фотонов

Стеклянная подложка
Прозрачный проводящий слой ITO
				р-слой
i-слой
				n-слой

Рис. 6. Структура солнечной батареи

Более эффективное воздействие оказывают плёнки с меньшим показателем преломления. Это объясняется ослаблением поглощения в р-слое и уменьшением отражения на границе ITO / р-слой. Полученные результаты показывают перспективность применения р-слоёв на основе аморфного гидрированного карбида кремния для улучшения характеристик СМ.

На основании теоретических предположений и результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

• 1.    Применение структур стекло/СТО позволяет повысить энергетическую эффективность гелиоколлекторов и теплиц на 10…15%.

• 2.    Применение защитных просветляющих покрытий на основе α -C:H перспек-

• тивно для повышения эффективности на 10…15% и продления срока службы СМ и фотопреобразователей на 30…40%.

• 3.    Применение р-слоёв на основе α -SiC:H должно быть целесообразно для повышения на 5…10% энергоэффективности СМ и фотопреобразователей.