شبیه سازی کارایی سلولهای خورشیدی پرووسکیت بدون سرب

Performance simulation of lead-free perovskite solar cells

چکیده

1. مقدمه

2. آزمایش

3. نتایج و بحث

4. نتیجه گیری

منابع

چکیده

از نرم افزار شبیه سازی سلول های خورشیدی SCAPS برای شبیه سازی سلول خورشیدی پروسکایت مبتنی بر Sn با ساختار طراحی زیرلایه شیشه ای/FTO/ZnO/CH3NH3Snh/Cu2O/Au استفاده شد. اثرات ضخامت لایه جاذب و تراکم نقص و همچنین غلظت پذیرنده بر عملکرد سلول خورشیدی مورد بررسی قرار گرفت. از نتایج شبیه سازی، مشخص شده است که کاهش تراکم نقص لایه جاذب و بهبود پایداری Sn2+ از موضوعات کلیدی برای تحقیقات آینده هستند. هنگامی که ضخامت CH3NH3SnI3 500 nm باشد و حالت نقص 1×1014cm-3 باشد، عملکرد سلول بیشتر بهبود می یابد و ویِژگیهای بهینه خروجی سلول Voc = 0.917V ، Jsc = 33.148 mA-cm-2، FF = 80.02% و PCE = 23.93٪ می باشد.

آزمایش

     این مقاله مبتنی بر شبیه ساز ظرفیت سلول خورشیدی (SCAPS) (9)، یک نرم افزار شبیه سازی تک بعدی برای انواع سلول های خورشیدی است. این نرم افزار کاربرد گسترده ای در شبیه سازی پارامترهای دستگاه PSC و سایر ساختارهای سلول خورشیدی دارد. از معادله پواسون (معادله (1))، معادله پیوستگی الکترون (معادله (2))، و معادله پیوستگی حفره (معادله (3)) برای به دست آوردن سطح انرژی شبه فرمی حامل، ویژگی های سلول J-V و پاسخ طیفی استفاده شده است.

     که در اینجا ε گذردهی نسبی، NA+ و No+ غلظت پذیرنده و دهنده یونیزه، ψپتانسیل الکترواستاتیکی هستند، Pi و n1 به ترتیب نشاندهنده حفره های گرفته شده و الکترون های گرفته شده هستند، p و n به ترتیب نشان دهنده حفره های آزاد و الکترون های آزاد هستند، x مختصات موقعیت است، Jn و Jp به ترتیب چگالی جریان الکترون ها و حفره ها را نشان می دهند، Rn(x) و Rp(x) به ترتیب نرخ های پیچیده الکترون ها و حفره ها را نشان می دهند، G(x) نرخ تولید و q بار الکتریکی است.

     ساختار سلول خورشیدی پروسکایت بدون سرب که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته، در شکل 1 (a) نشان داده شده است. این ساختار از بالا به پایین شامل یک لایه انتقال حفره/Au الکترود پشتی، لایه جذب نور Cu2O/، لایه انتقال الکترون/ CH3NH3SnI3 ، ZnO/شیشه رسانای شفاف FTO است. در مقایسه با Ti2O، ZnO به عنوان یک لایه انتقال الکترون می تواند فیلم های بزرگتری را بدون تفجوشی در دمای بالا را تهیه کند، و از تحرک الکترونی بالاتری برخوردار است (10). Cu2O به عنوان یک لایه انتقال حفره در مقایسه با sprio-OMeTAD دارای مزایای غیر سمی بودن، هزینه کم و ساخت آسان است. شکل 1 (b) ساختار سطح انرژی و نمودار مهاجرت حامل را نشان می دهد. از شکل مشخص است که از ساختار سطح انرژی، موقعیت باند رسانای (CB) لایه جاذب نور CH3NH3SnI3 بالاتر از سطح نوار رسانایی ZnO است، و موقعیت باند ظرفیت (VB) بالاتر از سطح باند ظرفیت Cu2O است. وقتی نور لایه جذبی را تحریک می کند، حامل های جریان تولید شده نوری می توانند به طور موثری به باند هدایت ETM و باند ظرفیت HTM منتقل شوند. مشاهده می شود که ZnO، CH3NH3SnI3 و Cu2O می تواند به هماهنگی خوبی در سطح انرژی دست یابد که الزامات مهم طراحی ساختار سلول خورشیدی را برآورده می سازد.

انتخاب سیستم های ذخیره انرژی با استفاده از انرژی بادی در شبکه توزیع

Selecting Energy Storage Systems with Wind Power in Distribution Network

چکیده
1-معرفی
2-طرح مسئله
الف-انرژی بادی
ب-منحنی انرژی بادی
3-فرمول بندی مسئله
الف-تابع هدف
ب-محدودیت حرارتی فیدر
ج-محدودیت عملکرد باد
د-محدودیت عملکرد ESS
4-نتایج و بحث
الف-پروفیل برنامه‌ریزی ESS و انرژی بادی
ب-سود ماهانه وسالانه
5-نتیجه‌گیری

چکیده

در سیستم‌های توزیع برق،میزان تقاضای بار در طول بازه‌ی پیک بار می‌تواند از حد حرارتی فیدر عبور کرده و باعث آسیب به سیستم شود.می‌توان از این وضعیت که موجب خسارت‌های مادی به تجهیزات و مصرف‌کننده‌ها می‌شود،توسط سرریز بار جلوگیری کرد.می‌توان با به‌کارگیری مناسب سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی(ESS) با این مشکل مقابله کرد.در این مقاله،ما یک مسئله‌ی بهینه‌سازی را با ترکیب به‌کارگیری ESS و انرژی بادی در یک سیستم توزیع معمولی فرموله کرده‌ایم که به‌وسیله‌ی آن توان حقیقی،با شرط آن‌که میزان تقاضا از حد حرارتی فیدرخارج نشود ، به صورت بهینه در یک بازار برق توزیع می‌شود.این دستاورد عملکرد مطمئن سیستم توزیع انرژی را تضمین و ازقطع آن جلوگیری می‌کند.این مسئله بهینه‌سازی،برای یک سیستم توزیع معمول حل شده‌ است.نتایج به دست‌آمده به‌وضوح عملکرد مقرون‌ به صرفه ESS همراه با انرژی بادی در سیستم‌های توزیع را برای جلوگیری از قطعی و به حداکثر رساندن سود ESS نشان می‌دهند.

1- معرفی

بازار برق،صنعت برق را برای ارائه انرژی قابل اطمینان و ارزان،مجبور به استفاده از همه‌ی گزینه‌های اقتصادی و عملیاتی که به‌کارگیری منابع تجدیدپذیر و دیگر منابع را تضمین می‌کند،کرده‌است.یکی از محدودیت‌های منابع تجدیدپذیر نیاز آن‌ها به سیستم های ذخیره‌ساز انرژی(ESS) است.ESS قابلیت پیش‌بینی منابع انرژی تجدید‌پذیر را با صاف کردن نوسانات بین بار و مولد،افزایش می‌دهد.کاربرد دیگر ذخیره انرژی،افزایش دادن ظرفیت فیدرهای توزیع و به تاخیر انداختن ساخت خطوط انتقال و پست‌های فشار قوی جدید می‌باشد[1].به تعویق افتادن ارتقا فیدر در مقالات بسیاری اشاره شده‌است،ولی این مسئله از نظر اقتصادی مورد توجه قرار نگرفته‌است[4]-[2].یک بررسی اقتصادی انجام گرفته‌بود که قیمت کنونی را محاسبه می‌کرد تا امکان استفاده از یک سیستم ESS/PV/Wind تعیین شود.نرخ تخفیف،هزینه نگه‌داری و اثر طول عمر در نظر گرفته‌شده‌ و از نرخ رشد بار صرف نظر شده‌ بود[5].تاخیر زمانی انرژی الکتریکی یا مشکلات مربوط به خرید و فروش ESS در بازار انرژی در بسیاری از تحقیقات مورد بحث قرار گرفته‌است[7]-[6] و در کنار آن بررسی‌های اقتصادی در مورد بازار انرژی صورت پذیرفته‌بود[11]-[8].علاوه بر این،روندی برای محاسبه‌ی منحنی قیمت حاشیه‌ای سیستم توزیع و کارکردهای بالقوه آن معرفی شده‌بود[12].قیمت‌های واقعی برق برای پیش‌بینی سناریوهای آینده مورد استفاده قرار گرفته‌است[13].گزارش‌های بازار ESS برای ارزیابی پتانسیل‌های بازار برای هر یک از کاربردهای ESS و هزینه‌های آن استفاده شده‌است[15]-[14].در بعضی از تحقیقات،برنامه‌نویسی دینامیکی برای دستیابی به کنترل بهینه هزینه ESS مورد استفاده قرار گرفته‌است[17]-[16].

5- نتیجه‌گیری

ESS نیاز به ارتقا فیدرها را به تعویق انداخته و باعث صرفه‌جویی مالی برای اپراتورهای شبکه و سیستم می‌شود.برنامه‌ریزی ترکیبی ESS و نیروگاه بادی در یک فیدر توزیع محدود با توسعه و پیاده‌سازی الگوریتمی که حد حرارتی فیدر ،قیمت برق،تقاضا برای بار ،حداکثر انرژی و ظرفیت ESS ،راندمان شارژ و دشارژ ESS و پارامترهای نیروگاه بادی را در نظر گرفته باشد،بهینه می‌شود.الگوریتم توسعه داده شده با استفاده از ترخ تعرفه برق برای مصارف و بارهای مختلف خانگی،تجاری و صنعتی پیاده‌سازی می‌شود.نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که الگورتم بهینه‌شده برای برنامه‌ریزی ترکیبی ESS و نیروگاه بادی مقرون به صرفه است.

Abstract

In distribution systems, load demand can exceed the feeder thermal limit during peak demand periods and cause system damage. This situation can be prevented by load shedding, which results in financial losses to utilities and customers. The problem can be countered by utilizing energy storage systems (ESS) properly. In this paper, we formulate an optimization problem combining the utilization of ESS and wind power in a typical distribution system, whereby real power is optimally scheduled in an electricity market under the constraint that the load demand cannot exceed feeder thermal limit. This approach ensures the reliable operation of the power distribution system and prevents outages. The developed optimization problem is solved for a typical distribution system. The results clearly demonstrate the economical operation of ESS with wind power in distribution systems to prevent outages and maximize the ESS profit.

I- INTRODUCTION

The electricity market has driven the power industry to exploit all possible economic and operational options that ensure the utilization of renewable resources and other options for providing cheap and reliable energy. One of the limitations of renewable sources is the need for energy storage systems (ESS). ESS enhance the predictability of renewable energy sources by smoothing out fluctuations in the difference between the load and generation. Another application of energy storage is to enhance the capacity of distribution feeders and defer the construction of new lines and substations [1]. Feeder deferral has been addressed in many articles, but this problem has not been considered in economic terms [2]– [4]. A cost analysis was performed in which the present value was calculated to determine the economic feasibility of an ESS/PV/wind system. The discount rate, maintenance fees and lifespan effects of ESS on the cost were considered, and the rate of load growth was neglected [5]. Electrical energy time shifting or the energy arbitrage problem of ESS in the energy market have been discussed in many studies [6]– [7] whereas economic analyses of the energy market distribution systems were conducted [8]- [11]. In addition, a procedure for calculating the power system marginal cost curve and its potential applications has been developed [12]. Actual electricity prices have been used to predict future scenarios [13]. ESS market reports have been used to evaluate the market potential for each ESS application and the ESS costs [14]- [15]. In some studies, dynamic programming has been used to achieve optimal ESS charge control [16]– [17].

V- CONCLUSION

The ESS provides a means of deferring feeder upgrades at substantial financial benefits to the grid and system operators. The combined scheduling of the ESS and wind power plant in a constrained distribution feeder is optimized by developing and implementing an algorithm that considers the distribution feeder thermal limit, the electricity price, the load demand, the maximum energy and the power capacity of the ESS, the charging and discharging efficiency of the ESS, and the wind power plant parameters. The developed algorithm is implemented using electricity tariff rates for different customer types and demands from residential, commercial, and industrial customers. The simulation results show that the developed optimal algorithm is economical for combined ESS and wind power scheduling.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

انتخاب سیستم های ذخیره انرژی با استفاده از انرژی بادی در شبکه توزیع

Selecting Energy Storage Systems with Wind Power in Distribution Network