Дипломаная работа по мехатронике и мобильной роботехнике. Цель разработать мехатронный фотоэлектрический преобразователь. Задачи

• Название: Цель разработать мехатронный фотоэлектрический преобразователь. Задачи
• Анкор: Дипломаная работа по мехатронике и мобильной роботехнике
• Дата: 31.05.2022
• Размер: 0.85 Mb.
• Имя файла: 3_VKR_Kislenko_Ilya_43MR.docx
• Тип: Документы; #558617
• страница: 3 из 4

Органические материалы:

Одной из возможных реализаций фотоэлектрических приёмников излучения являются фотоприёмники на основе органических полупроводников. Под органическими полупроводниками понимают твёрдые органические вещества, которые имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную проводимости. Органические полупроводники характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения. Носители тока в таких полупроводниках образуются в результате возбуждения p-электронов, дело кализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации, необходимая для образования носителей тока снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.

Технологии производства солнечных батарей на основе органических материалов появились относительно недавно. В основе технологии производства таких ФЭП лежат фоточувствительные полимерные материалы. Этот фоточувствительный материал может быть напечатан или нанесён достаточно просто на гибкую полимерную подложку. Если такой подложкой служит лента, то процесс может быть непрерывным и автоматическим, без участия человека. В результате, такие батареи оказываются очень дешёвыми.
Рис. 1.12 – Фотоэлемент на основе органического материала

Первые органические батареи были сделаны из двух слоёв: слоя-донора и слоя-акцептора. Органические полупроводники отличаются от неорганических тем, что при поглощении света в них не возбуждаются непосредственно носители заряда, а образуются связанные пары, экситоны. Чтобы экситон превратить в носитель заряда, его нужно разорвать, для чего нужно приложить дополнительную энергию. Разрыв экситона происходит на интерфейсе, если есть два типа материала. Тогда на границе экситон разваливается, и электрон идёт в одну сторону, а дырка – в другую.

Есть две основные конфигурации органических ФЭП: это батареи планарного типа, в которых фотоактивные компоненты наносятся отдельными слоями и батареи с объёмным гетеропереходом, в которых есть только один фотоактивный слой, представляющий смесь донора и акцептора (рис. 1.13).

Существенный прогресс в создании эффективных ФЭП планарного типа достигнут при использовании фуллерена C60 в качестве акцепторного материала в солнечных батареях в комбинации с фталоцианинами металлов (MPc). Сообщается об эффективностях преобразования света 2,0 - 2,5 % для систем C60/MPc (M=Cu, Zn) по состоянию на конец 2012 года.
Рис. 1.13 – Структура типичной планарного типа ФЭП

Н
аиболее перспективными являются пластиковые солнечные батареи, в которых в качестве рабочих материалов используются смеси органических полупроводников 𝑝- и -типов, хорошо растворимые в органических растворителях. Благодаря этому они могут наноситься методом печати на гибкие полимерные подложки. Эта технология уже досконально разработана и используется многими западными компаниями.

Рис. 1.13 – Модели ФЭП из органических материалов Konarka Power Plastic 320 и Konarka Power Plastic 620

Преимущества данных ФЭП:

• 
  низкая цена;
  
• 
  ФЭП созданные на основе органических материалов обладают хорошей гибкостью и лёгкостью;
  
• 
  экологическая чистота. Производство данных ФЭП не связано с вредным воздействием на окружающую среду.
  

Недостатки:

• 
  низкий КПД (рекорд – 9 %);
  
• 
  низкий срок службы;
  
• 
  ФЭП данного типа ещё недостаточно изучены и имеют небольшой опыт эксплуатации.
  

Соединение CuInSe₂ и родственные ему материалы:

Селенид меди и индия обладает чрезвычайно благоприят­ными свойствами как материал для создания фотоэлектриче­ских преобразователей с гетеропереходом. Поглощение света в этом полупроводнике сопровождается прямыми оптическими переходами, что позволяет ввести менее жёсткие требования к величине диффузионной длины неосновных носителей заряда. CuInSe₂ легко получить в виде плёнок как p-, так и n-типов проводимости, поэтому на основе данного материала могут быть созданы элементы с гомогенным и гетерогенным пере­ходами. Ширина запрещённой зоны CuInSe₂ (1,04 эВ) близка к оптимальной для преобразования солнечного излучения в наземных условиях. Поскольку степень несоответствия па­раметров кристаллических решёток CuInSe₂ (структура халь­копирита) и CdS (гексагональная структура) составляет лишь 1,2 %, CuInSe₂ и CdS образуют идеальный гетеропереход. Зна­чения энергий сродства к электрону этих материалов прибли­зительно равны между собой, поэтому на границе раздела от­сутствует пик в зоне проводимости. На рис. 1.14 представлено, как выглядит панель из подобного материала.

Рис. 1.14 – Солнечная панель на основе Cu(In,Ga)Se₂

Существует множество различных методов нанесения CuInSe₂ поглощающих плёнок для солнечных элементов, каждый из которых имеет свои преимущества и свои недостатки. Среди них соиспарение из нескольких источников, селенизация Cu-In плёнок, электроосаждение, осаждение из физических и химических паров. Наилучшие результаты показывают солнечные элементы с поглотителями, полученными испарением составных элементов соединения и селенизацией предварительно нанесенных Cu-In плёнок. Ключевой проблемой синтеза CuInSe₂ плёнок является контроль соотношения Cu/In в соединении, так как даже незначительное отклонение состава от стехиометрического может привести к значительному изменению параметров и характеристик солнечного элемента.

Конструкции некоторых типов Cu(In,Ga)Se₂ солнечных элементов представлены на рис. 1.14.

В силу этого, а также из-за отсутствия интереса к CuInSe₂ со стороны твёрдотельной электроники, пока не существует единого технологического процесса для синтеза CuInSe₂ плёнок, пригодного для промышленного внедрения.
Рис. 1.15 – Структура солнечных элементов на основе трехкомпонентных соединений меди:


а) с CdS оптическим окном и антиотражателем

б) с ZnO оптическим окном и антиотражателем

в) с прозрачным лицевым электродом

Достоинства данных ФЭП:

‒ Ширина запрещённой зоны твёрдых растворов Cu(In,Ga)(S,Se)₂ изменяется в диапазоне 1.0 – 2.4 эВ и может быть идеально согласована с оптимальным значением для фотопреобразователей солнечной энергии (1.2 - 1.6 эВ);

‒ Высокая стабильность характеристик. После непрерывной работы в течение 7·10⁴ часов при освещении имитатором солнечного излучения и температуре 60 °С ни один из параметров негерметизированных элементов не ухудшился, Кроме того, радиационная стойкость приборов на основе CuInSe₂ и Cu(In, Ga)Se₂ в 50 раз выше по сравнению с монокристаллическим кремнием и GaAs;

‒ Низкая себестоимость. Так, на производство батареи мощностью 1.0 кВт требуется 80 г соединения Cu(In,Ga)Se₂. При крупносерийном производстве (60 МВт/год) ожидается себестоимость модуля 0.65 – 0.8 долл. США/Вт;

‒ Плёнки CuInSe₂ и Cu(In,Ga)Se₂ могут быть получены различными методами на промышленном технологическом оборудовании, при этом сравнительно просто могут быть сформированы СЭ с КПД 13-17 %.

Недостатки:

‒ ФЭП с данным типом полупроводника ещё недостаточно изучены, в связи с этим оптимальная технология синтеза CuInSe₂ пока не найдена;

‒ КПД данных ФЭП на основе этих полупроводников ещё недостаточно высок, чтобы конкурировать с ФЭП на основе кристаллического кремния.



Таблица – Электрофизические параметры фотоэлектрических модулей
Каждый вид фотоэлектрического преобразователя имеет свои преимущества и недостатки, и на основании их они получили разное распространение и применяются в тех местах, где это будет выгодно. Так, например, в космосе для энергообеспечения космических аппаратов наибольшее распространение получили ФЭП на основе A₃B₅. Фотоэлектрические преобразователи данного типа обладают такой важной особенностью, как радиационная стойкость, также имеют высокий КПД, что для применения в космосе это очень важно. Большой коэффициент поглощения солнечного излучения в арсениде галлия позволяет сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм, что обеспечивает снижение более чем на порядок расхода арсенида галлия и, как следствие этого, снижение в 2-3 раза веса солнечных батарей. В таких тонкопленочных ФЭП с толщиной активной области порядка 5 мкм возможно достижение высокой двусторонней чувствительности и повышение на 20-25 % энергосъема в космосе за счёт использования альбедо Земли.
Рис. 1.16 – Структур
1.3 Физические принципы ФЭП.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• 
  Отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;
  
• 
  Прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём;
  
• 
  Рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;
  
• 
  Рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП;
  
• 
  Внутренним сопротивлением преобразователя.
  

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

• 
  Использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
  
• 
  Направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
  
• 
  Переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
  
• 
  Оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
  
• 
  Применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
  
• 
  Разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
  
• 
  Создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
  

1.3 Применение ФЭП в мехатронных системах
Мехатроника — область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых механизмов, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

За примерами мехатронных систем далеко ходить не надо: современные стиральные машины-автоматы, пылесосы, автомобили и т. п. Типичная мехатронная система — тормозная система автомобиля с АБС (антиблокировочной системой). Персональный компьютер также является мехатронной системой: ЭВМ содержит массу мехатронных составляющих: жёсткие диски, CD-приводы, современные накопители на магнитных лентах. В промышленности мехатронными системам являются все современные роботы, станки, роботы-станки, измерительные комплексы.

Фотоэлектрические преобразователи положения получили в последнее время широкое распространение в станках с ЧПУ, в робототехнике и других промышленных позиционных и следящих системах. Это связано, во-первых, с удобством сопряжения фотоэлектрических датчиков с микроЭВМ, широко применяемых в настоящее время. Во-вторых, технический прогресс в области оптоэлектроники и лазерной техники позволяет создавать в настоящее время фотоэлектрические датчики с требуемой точностью, недостижимой в других датчиках положения.

Механическая часть служит для точного вращения входного вала преобразователя относительно корпуса. Базовая поверхность для установки и присоединения фотоэлектрического преобразователя к станку обеспечивает соосное расположение его оптической и электронной частей. Преобразователь защищен от пыли, влаги и механического воздействия. Оптическая часть содержит светодиод, линзу, растровую индикаторную пластину и растровый диск. Световой поток светодиода проходит через линзу, растровую индикаторную пластину и растровый диск. При вращении растрового диска меняется интенсивность света, пропускаемого через растровое сопряжение, образуемое диском и пластиной. В результате меняется фототок через основные фотодиоды и фотодиоды, служащие для выработки компенсационных сигналов.
На индикаторной пластине растры расположены в два сектора и сдвинуты один относительно другого на 1/4 шага растров. Два фотодиода, установленные под каждым из этих секторов и сопрягаемыми с ними растрами диска, выдают первичные сигналы sin τ0 и сos τ0, где τ0 – относительное смещение подвижного и неподвижного растров. Фотодиод, расположенный в центральной части растрового диска, выдает третий сигнал начала отсчета (нулевой сигнал).
Первичные сигналы всех трех каналов поступают вначале на усилители напряжения, а затем на формирователи, преобразующие синусоидальные сигналы в прямоугольные импульсы, амплитуда и форма которых не зависят от изменения амплитуды синусоиды. После формирователей сигналы передаются на усилители мощности и инверторы. В результате на выходе образуются шесть сигналов (три основных и три инверсных). С помощью этих шести сигналов определяются начальная точка отсчета перемещения, пройденный угол и направление вращения датчика.
Применение ФЭП в промышленности:

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Кроме того, фотоэлементы используются в защитных устройствах, в системах управления производственными процессами, химических анализаторах, системах контроля за сгоранием топлива, за температурой, для контроля качества продукции массового производства, для светотехнических измерений, в указателях уровня, в счётных устройствах, для синхронизации, для автоматического открывания дверей, в реле времени, в записывающих устройствах.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.5 Изучение видов контроллеров для ФЭП.

В настоящее время существует несколько типов контроллеров – с широтноимпульсной модуляцией тока заряда (ШИМ) и контроллеры (с ШИМ) с функцией экстремального регулирования мощности СБ. Основным недостатком ШИМ 28 контроллеров является то, что для заряда аккумуляторной батареи необходимо, чтобы напряжение СБ соответствовало напряжению АБ, иначе энергия фотоэлектрических преобразователей будет недоиспользоваться. То есть, для заряда 12 В аккумулятора нужна солнечная батарея с 36 солнечными элементами, соединенными последовательно. Для увеличения мощности таких цепочек может быть несколько, соединенных параллельно. Контроллеры с ЭРМ СБ технически сложнее чем обычные ШИМ контроллеры, но до 30% эффективнее. Ассортимент контроллеров на современном рынке велик, они отличаются входными и выходными параметрами, совместимостью с различными типами аккумуляторных батарей. Основное отличие — это способ регулирования максимума мощности солнечной батареи и повышение за счет этого энергетической эффективности СБ. Известны контроллеры заряда-разряда аккумуляторных батарей с реализацией функции экстремального регулирования мощности солнечных батарей фирм США, Германии, Китая и Канады: OutbackFlexMax, Morningstar, EPSolarTracer, StecaSolarix, ProsolarSunStar, Xantrex XW-MPPT60-150 и другие. Они представлены на Российском рынке, однако детально принципы построения и схемотехнические решения, как правило, не раскрываются. Контроллер заряда EPSolarTracer (Китай) расчитан для работы в фотоэлектрических системах малой и средней мощности при токе заряда 10/20/40 А и номинальном напряжении аккумуляторных батарей 12 и 24В (при изменении настроек контроллера возможно подключение аккумуляторных батарей как 12 В так и 24 В). Устройство осуществляет слежение за точкой максимума мощности СБ методом итераций вокруг текущей рабочей точки (Perturb & Observe). Максимальное входное напряжение 100В. Энергетическая эффективность 97%. В контроллере заряда фирмы StecaSolarix (Германия) слежение за точкой максимума мощности осуществляется методом итераций вокруг текущей рабочей точки. Данный контроллер позволяет совмещать фотоэлектрические модули с 29 напряжением оптимальной рабочей точки, при температуре окружающей среды +25 °С, равным 36 В и номинальном напряжении аккумуляторных батарей 12 и 24 В. Энергетическая эффективность ЭРМ 97%. Контроллер заряда фирмы ProsolarSunStar (Китай) (рисунок 1.6 а) имеет несколько режимов регулирования напряжения фотоэлектрических модулей: метод итераций вокруг текущей рабочей точки; работа в найденной во время начального сканирования точке (Scan & Hold); работа при напряжении, составляющем определенную долю от напряжения холостого хода (%Voc); работа при определенном входном напряжении (HIV). Возможно использование аккумуляторных батарей 12, 24, 36, и 48 В. Энергетическая эффективность поиска экстремума мощности 97,5 %. Контроллер заряда фирмы Outback (США) (рисунок 1.6 б) осуществляет регулирование напряжения фотоэлектрических модулей двумя методами: метод итерации вокруг текущей рабочей точки; работа при напряжении, составляющем определенную долю от напряжения холостого хода.


Рисунок 1.6 – Контроллеры заряда: а - ProsolarSunStar; б - Outback

Устройство совместимо с аккумуляторными батареями, номинальное напряжение которых 12, 24, 36, 48 и 60 В. Максимальное входное напряжение 30 150 В, поэтому они подходят для большинства аморфных модулей, которые, как правило, имеют напряжение холостого хода около 110 В. Энергетическая эффективность поиска экстремума мощности 97,5 %. В контроллере заряда фирмы Xantrex (Канада) слежение за точкой максимума осуществляется методом итераций вокруг текущей рабочей точки. Также реализован режим работы при напряжении, составляющем определенную долю от напряжения холостого хода. Контроллер может работать с аккумуляторными батареями, номинальное напряжение которых 12, 24, 36, 48 и 60 В. Осуществляет заряд АБ с номинальным напряжением меньше, чем у солнечной батареи. Контроллер рассчитан на максимальное входное напряжение 150 В. Энергетическая эффективность поиска экстремума мощности 97,5 %. В таблице 1.1 приведены характеристики некоторых моделей контроллеров с ЭРМ СБ.

Xantrex	XW MPPT	60		12-140		150		12/24/36/48/60		97,5		5		XanBus		P&O, %Voc
OutblackFlex Max	FM-80	80		12-140		150		12/24/36/48/60		97,5		5		нет		P&O, %Voc
	FM-60	60
ProsolarsunStar MPPT	SS-80 CX	80		16-192		240		12/24/36/48		97,5		4		RJ45-USB5		P&O, S&H, %Voc, HIV
	SS-40 CX	40
	SS-80C	80		16-112		140
Stecasolarix	MPPT 2010	20		17-100		100		12/24		97		4		нет		P&O
EPSolarTracer MPPT	4210/4215	40		12-100/12-150		100/150		12/24		97		4		нет		P&O
	2210/2215	20
Модель Параметры			Максимальный ток заряда АБ, А		Диапазон ЭРМ, В		Максимальное напряжение, В		Напряжение АБ, В		Энергетическая эффективность поиска экстремума, %		Стадий заряда		Коммуникационные возможности		Алгоритм ЭРМ

Таблица 1.1 – Параметры и характеристики контроллеров с ЭРМ СБ