Главная
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 3-4, с. 57-64.
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.57
УДК 621.31
Застосування шару на основі матеріалів з фазовим переходом «метал — напівпровідник» для електротеплового захисту сонячних елементів
(українською мовою)
Тонкошкур О. С., Іванченко О. В.

Україна, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара.

СШляхом моделювання досліджено кінетичні залежності розподілів температури, струму і напруги фотоелектричного елемента з додатковим шаром на основі матеріалів з фазовим переходом «метал - напівпровідник», які знаходяться в тепловому контакті. Показано, що основою застосування таких терморезисторних шарів для реалізації захисту сонячних фотоелементів від електричного перегріву є істотне перевищення їхнього опору в «холодному» стані відносно опору освітленого прямозміщеного сонячного елемента, а також опір зазначених шарів, який у «нагрітому» стані має бути значно меншим за опір зворотнозміщеного фотоелемента та джерела живлення.

Ключові слова: сонячний елемент, терморезистор, фазовий перехід, перенапруга, локальний перегрів.

Дата подання рукопису 05.07 2021
Використані джерела
  1. Kontges M., Kurtz S., Packard C. et al. Review of failures of photovoltaic modules. IEA PVPS Task 13, 2014, 132 p.
  2. Humaid V., Kumar M., Gupta R. Bypass diode effect on temperature distribution in crystalline silicon photovoltaic module under partial shading. Solar Energy, 2020, vol. 208, pp. 182–194. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.087
  3. Han H., Dong X., Li B. et al. Degradation analysis of crystalline silicon photovoltaic modules exposed over 30 years in hot-humid climate in China. Solar Energy, 2018, vol. 170, pp. 510–519. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.027
  4. Oh W., Choi H., Seo K. W. et al. Evaluation based on performance and failure of PV system in 10 years field-aged 1 MW PV power plant. Microelectronics Reliability, 2020, vol. 114, p. 113763. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113763
  5. Karimi M., Samet H., Ghanbari T., Moshksar E. A current based approach for hotspot detection in photovoltaic strings. International Transactions on Electrical Energy Systems, 2020, vol. 30, no. 9, p. e12517. https://doi.org/10.1002/2050-7038.12517
  6. Kim K. A., Krein P. T. Reexamination of photovoltaic hot spotting to show inadequacy of the bypass diode. IEEE Journal of Photovoltaics, 2015, vol. 5, no. 5, pp. 1435–1441. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2444091
  7. Daliento S., Di Napoli F., Guerriero P., d'Alessandro V. A modified bypass circuit for improved hot spot reliability of solar panels subject to partial shading. Solar Energy, 2016, vol. 134, pp. 211–218. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.05.001
  8. Sanchez Pacheco F. J. Photovoltaic systems distributed monitoring for performance optimization. Doctoral thesis, Universidad de Malaga, Malaga, Espana, 2015.
  9. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Mazurik S. V. Application of varistor-posistor structure for protection from overvoltages of photovoltaic cells of solar arrays. Journal of Physics and Electronics, 2019, vol. 27, no. 1, pp. 79–88. https://doi.org/10.15421/331913
  10. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V. Modeling of electrical characteristics of photovoltaic solar arrays with protection against current overloads based on PolySwitch elements. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, 2020, vol. 16, no. 3, pp. 425–438. https://doi.org/10.1108/MMMS-01-2019-0022
  11. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Application of a polymer nanocomposite with carbon filler to limit overvoltages in a photovoltaic element. Journal of Advanced Dielectrics, 2020, vol. 10, no. 5, p. 2050020. https://doi.org/10.1142/S2010135X20500204
  12. Тонкошкур О. Перспективи застосування обмежувачів потужності на основі матеріалів з фазовим переходом метал-напівпровідник у фотоелектричних системах сонячних електростанцій. Матеріали ІХ МНПК "Інформаційно-аналітичне забезпечення прийняття управлінських рішень щодо енергетичних та соціально-економічних проблем України", Україна, Дніпро, 2021, с. 102–104. https://doi.org/10.46489/iazpur-08
  13. Nordquist C. D., Leonhardt D., Custer J. O. et al. Power handling of vanadium dioxide metal-insulator transition RF limiters. Proceedings of 2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP). USA, MI, Ann Arbor, 2018, pp. 1–3. https://doi.org/10.1109/IMWS-AMP.2018.8457150
  14. Андреев В. Н., Климов В. А. Фазовый переход металл-диэлектрик в тонких пленках диоксида ванадия, легированного железом. Физика твердого тела, 2018, т. 60, № 12, pp. 2425–2428. https://doi.org/10.21883/FTT.2018.12.46734.142
  15. Zhong X., LeClair P., Sarker S. K., Gupta A. Metal-insulator transition in epitaxial VO2 thin films on TiO2 (100). Physical Review B, 2012, vol. 86, no. 9, p. 094114. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.094114
  16. Pergament A. L., Stefanovich G. B., Velichko, A. A. Oxide electronics and vanadium dioxide perspective: A review. Journal on Selected Topics in Nano Electronics and Computing, 2013, vol. 1, no. 1, pp. 24–43. http://dx.doi.org/10.15393/j8.art.2013.3002
  17. Pan K., Wang W., Shin E. et al. Vanadium oxide thin-film variable resistor-based RF switches. IEEE Transactions on Electron Devices, 2015, vol. 62, no. 9, pp. 2959–2965. https://doi.org/10.1109/TED.2015.2451993
  18. Soltani M., Kaye A. B. Properties and applications of thermochromic vanadium dioxide smart coatings. In book: Intelligent Coatings for Corrosion Control. Butterworth-Heinemann, 2015, pp. 461–490. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-411467-8.00013-1
  19. Li L., Wang W., Shin E. et al. Design of tunable shunt and series interdigital capacitors based on vanadium dioxide thin film. Proceedings of 2017 IEEE National Aerospace and Electronics Conference (NAECON). USA, OH, Dayton, 2017, pp. 279–283. https://doi.org/10.1109/NAECON.2017.8268785
  20. Givernaud J., Crunteanu A., Orlianges J. C. et al. Microwave power limiting devices based on the semiconductor-metal transition in vanadium-dioxide thin films. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2010, vol. 58, no. 9, pp. 2352–2361. https://doi.org/10.1109/TMTT.2010.2057172
  21. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A.V. Electrical properties of structures based on varistor ceramics and polymer nanocomposites with carbon filler. Journal of Advanced Dielectrics, 2019, vol. 9, no. 03, p. 1950023. https://doi.org/10.1142/S2010135X19500231
  22. Бугаев А. А., Захарченя Б. П., Чудновский Ф. А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение. Ленинград, Наука, 1979, 183 с.
  23. Shao Z., Cao X., Luo H., Jin P. Recent progress in the phase-transition mechanism and modulation of vanadium dioxide materials. NPG Asia Materials, 2018, vol. 10, no. 7, pp. 581–605. https://doi.org/10.1038/s41427-018-0061-2
  24. Тутов Е. А., Крюков П. И., Зломанов В. П. Особенности проводимости поликристаллического диоксида ванадия на переменном токе. Конденсированные среды и межфазные границы, 2014, т. 16, № 2, с. 220–224.
  25. Березина О. Я., Артюхин Д. В., Величко А. А. и др. Фазовый переход металл-полупроводник в нелегированных и легированных пленках диоксида ванадия. Конденсированные среды и межфазные границы, 2009. т. 11, № 3, с. 194–197.
  26. Ивон А. И., Колбунов В. Р., Черненко И. М. Керамика из диоксида ванадия. Неорганические материалы, 1996, т. 32, № 5, с. 624–626.
  27. Тонкошкур О. С., Накашидзе Л. В. Проблеми надійності фотоелектричних компонентів сонячних батарей. Відновлювана енергетика, 2018, no. 3, pp. 21–30.
  28. Tilli M., Haapalinna A. Properties of Silicon. In book: Handbook of silicon based MEMS materials and technologies. Eds. by Tilli M. et al., Elsevier, 2020, pp. 3–18.
  29. Lechner M. D. Polymers. In book: Springer handbook of condensed matter and materials data. Eds. by Martienssen W., Warlimont H., Springer, Berlin, 2005, pp. 477–522.
  30. Черняев В. С., Щетников Е. Н., Швейкин Г. П., Гельд П. В. Теплоемкость кубической моноокиси и оксикарбида ванадия. Известия АН СССР, Неорганические материалы, 1968, т. 4, № 12, с. 2117–2123.
  31. Chirvase D., Chiguvare Z., Knipper M. et al. Temperature dependent characteristics of poly (3 hexylthiophene)-fullerene based heterojunction organic solar cells. Journal of applied physics, 2003, vol. 93, no. 6, pp. 3376–3383. https://doi.org/10.1063/1.1545162
  32. Musembi R. J., Rusu M., Mwabora J. M. et al. Intensity and temperature dependent characterization of eta solar cell. Physica Status Solidi (A), 2008, vol. 205, no. 7, pp. 1713–1718. https://doi.org/10.1002/pssa.200723466
  33. Иванченко А. В., Тонкошкур А. С. Изменения характеристик кремниевых фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей после токовых перегрузок. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2019, № 3–4, c. 19–25. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2019.3-4.19
  34. Гудкова А. В., Губин С. В., Белоконь В. И. Термостабилизация фотоэлектрических преобразователей для измерения ВАХ с импульсным источником света. Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии, 2012, № 57, с. 187–196.
  35. Шкляр В. И., Дубровская В. В., Карпенко Д. С. Использование энергии Солнца фотоэлектрическими системами. Відновлювана енергетика, 2014, № 3, с. 39–48.