Study of Vertically Oriented Solar Battery by Exposure of Concentrated Solar Radiation

Solar power is one of the largest sectors of the global electric and heat power industry. In search of new energy sources, scientists and engineers around the world are increasingly turning their attention to solar batteries, which can be a suitable replacement for non-renewable energy sources. Vertically oriented solar batteries will generate electricity throughout the daylight hours, which eliminates use of additional equipment. The paper proposes a 3D model of a solar battery with a vertical orientation of its modules, as well as the calculation and evaluation of temperature characteristics and the range of efficiency variations obtained under conditions of both the diurnal and seasonal changes in ambient temperature, and the po-wer density changes of concentrated solar radiation, the maximum values of which were chosen equal to 1; 5 and 10 kW/m2. The dependences of the maximum values of the solar battery temperature and the temperature gradient inside it, as well as the dependences of the minimum, average and maximum values of the radiative heat flux to the solar battery surface in the presence and absence of temperature stabilization of the heat sink backside versus the time of day in the middle of January and July have been plotted. As calculations have shown, at the solar radiation concentration of 10 kW/m2, the efficiency in July is increased by more than 2 times due to the use of thermoelectric converters in the battery. Moreover, according to the obtained results, when the solar modules are oriented vertically, temperature gradients and, consequently, the total efficiency of the solar battery and power generation time will be greater compared to the horizontal position of the solar modules, which will reduce operational costs

Исследование вертикально ориентированной солнечной батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения

Solar power is one of the largest sectors of the global electric and heat power industry. In search of new energy sources, scientists and engineers around the world are increasingly turning their attention to solar batteries, which can be a suitable replacement for non-renewable energy sources. Vertically oriented solar batteries will generate electricity throughout the daylight hours, which eliminates use of additional equipment. The paper proposes a 3D model of a solar battery with a vertical orientation of its modules, as well as the calculation and evaluation of temperature characteristics and the range of efficiency variations obtained under conditions of both the diurnal and seasonal changes in ambient temperature, and the power density changes of concentrated solar radiation, the maximum values of which were chosen equal to 1; 5 and 10 kW/m2. The dependences of the maximum values of the solar battery temperature and the temperature gradient inside it, as well as the dependences of the minimum, average and maximum values of the radiative heat flux to the solar battery surface in the presence and absence of temperature stabilization of the heat sink backside versus the time of day in the middle of January and July have been plotted. As calculations have shown, at the solar radiation concentration of 10 kW/m2, the efficiency in July is increased by more than 2 times due to the use of thermoelectric converters in the battery. Moreover, according to the obtained results, when the solar modules are oriented vertically, temperature gradients and, consequently, the total efficiency of the solar battery and power generation time will be greater compared to the horizontal position of the solar modules, which will reduce operational costs.Солнечная энергетика является одним из крупнейших секторов мировой электро- и теплоэнергетики. В поисках новых источников энергии ученые и инженеры всего мира все чаще обращают внимание на солнечные батареи, которые могут стать подходящей заменой невозобновляемых источников энергии. Вертикально ориентированные солнечные батареи позволят генерировать электроэнергию в течение всего светового дня, что исключает использование дополнительного оборудования. В статье предлагаются 3D модель солнечной батареи с вертикальной ориентацией ее модулей, а также расчет и оценка температурных характеристик и диапазон вариаций КПД, получаемых в условиях как суточных и сезонных изменений температуры окружающей среды, так и изменений плотности мощности концентрированного солнечного излучения, максимальные значения которой были выбраны равными 1; 5 и 10 кВт/м2. Построены зависимости максимальных значений температуры солнечной батареи и градиента температуры внутри ее, а также зависимости минимальных, средних и максимальных значений лучистого теплового потока к поверхности солнечной батареи при наличии и отсутствии стабилизации температуры тыльной стороны радиатора от времени суток в серединах января и июля. Как показали расчеты, при концентрации солнечного излучения 10 кВт/м2 КПД в июле увеличивается более чем в два раза за счет использования в батарее термоэлектрических преобразователей. Более того, согласно полученным результатам, при вертикальной ориентации солнечных модулей градиенты температуры и, следовательно, суммарный КПД солнечной батареи и время генерации энергии будут больше по сравнению с горизонтальным положением солнечных модулей, что позволит снизить эксплуатационные расходы

Моделирование тонкопленочных солнечных элементов со структурой халькопирита CuInSe2

By using numerical simulation, the operating temperatures of a thin-film solar cell based on CuInSe2 have been determined and the solar radiation density values, at which stabilization of the temperature operating conditions of the thin-film solar cell is not required, have been optimized. The maximum possible efficiency value of ~14.8 % is achieved under actual operating conditions, and is maintained by the incoming thermal energy as both emitted in this cell and infrared radiation of the sun and the environment. A model of the proposed thin-film solar cell was implemented in the COMSOL Multiphysics program environment with the use of the Heat Transfer Module. The operating temperatures of the solar cell without thermal stabilization under conditions of the diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the power density of the AM1.5 solar spectrum have been determined. The maximum value of this power density was varied from 1.0 to 500 kW/m2 when using concentrators. The obtained values of operating temperatures of the thin-film solar cell were used to determine its main parameters in the SCAPS-1D program. The graphs of the operating temperature, efficiency and fill factor of the thin-film solar cell versus the solar radiation density are provided. It is shown that in order to obtain the highest possible efficiency of a solar cell, it is necessary to use concentrated solar radiation with a power density, the maximum value of which should be 8 kW/m2 in July and 10 kW/m2 in January. In the case of lower and higher values of power density, an appropriate thermal stabilization of the cell under consideration is necessary. The dependencies of efficiency, fill factor and open-circuit voltage versus the stabilization temperature of the solar cell, temperature gradients at the interfaces of the thermoelectric layer were also calculated. It is shown that by choosing optimal values of the thermal stabilization, the efficiency of the proposed solar cell may be about 15 % or more.С помощью численного моделирования определены рабочие температуры тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2 и оптимизированы значения плотности мощности солнечного излучения, при которых не требуется стабилизация температурного режима данного элемента. Максимально возможное значение КПД ~14,8 % достигается при реальных условиях эксплуатации и поддерживается за счет поступающей тепловой энергии, как выделяющейся в этом элементе, так и инфракрасных излучений – солнца и окружающей среды. Модель предлагаемого тонкопленочного солнечного элемента была реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Определены рабочие температуры солнечного элемента без термостабилизации в условиях сезонного и суточного изменения температуры окружающей среды и плотности мощности солнечного излучения спектра AM1,5, максимальное значение которой варьировалось в пределах от 1 до 500 кВт/м2 при использовании концентраторов. Полученные значения рабочих температур тонкопленочного солнечного элемента использовались при определении основных его параметров в программе SCAPS-1D. Приведены графики зависимостей рабочей температуры, коэффициента полезного действия и коэффициента заполнения тонкопленочного солнечного элемента от плотности мощности солнечного излучения. Показано, что для получения максимально возможного КПД солнечного элемента необходимо использовать концентрированное солнечное излучение с максимальным значением плотности мощности 8 кВт/м2 в июле и 10 кВт/м2 в январе. В случае более низких и высоких этих величин необходима соответствующая термостабилизация рассматриваемого элемента. Также рассчитаны зависимости КПД, коэффициента заполнения и напряжения холостого хода от температуры стабилизации солнечного элемента, градиенты температур на границах раздела термоэлектрического слоя. Показано, что при выборе оптимальных значений термостабилизации эффективность предлагаемого солнечного элемента может составлять порядка 15 % и более

Моделирование характеристик фототермоэлектрической батареи

Solar radiation is an environmentally friendly and affordable energy source with high release of energy. The use of a photovoltaic thermoelectric battery makes it possible to increase the efficiency of converting solar and thermal radiation into electrical energy, both on serene and cloudy days. An original battery structure with photovoltaic and thermoelectric converters is proposed. The 3D model of the proposed photovoltaic thermoelectric battery was realized in the COMSOL Multiphysics software environment with the use of a heat transfer module. The simulation was performed for the geographical coordinates of Minsk and taking into account the diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the power density of the concentrated AM1.5 solar spectrum, the maximum value of which being varied from 1 to 500 kW/m2. The dependences of the maximum temperature values of the photovoltaic thermoelectric battery and the thermoelectric converters as well as temperature gradient patterns in the thermoelectric converters have been calculated. The dependences of the maximum temperature gradient values inside the thermoelectric converters on the solar power density are obtained. The graphs of the temperature gradients inside the thermoelectric converters of the photovoltaic thermoelectric battery by concentrated solar radiation versus the time of day in the middle of July and January are provided. It is shown that the output voltage increases up to the maximum values of 635 and 780 mV, respectively, in January and in July were achieved due to the temperature stabilization of the back side of the external electrodes of the proposed deviceСолнечное излучение является экологически чистым и доступным источником энергии с высокой энергоотдачей. Использование фототермоэлектрической батареи позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного и теплового излучений в электрическую энергию как в ясные, так и в пасмурные дни. В данной работе предложена оригинальная структура батареи с фото- и термоэлектрическими преобразователями. Трехмерная модель фототермоэлектрической батареи реализована в программном обеспечении COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Моделирование проводилось для географических координат г. Минска с учетом суточного и сезонного изменений температуры окружающей среды и плотности мощности концентрированного солнечного излучения спектра AM1.5, максимальное значение которой варьировалось от 1 до 500 кВт/м2. Рассчитаны зависимости максимальных значений температуры фототермоэлектрической батареи, термоэлектрических преобразователей, а также профили распределения градиента температуры в термоэлектрических преобразователях. Получены зависимости максимальных значений градиента температуры внутри термоэлектрических преобразователей от плотности мощности солнечного излучения. Построены графики зависимостей градиентов температуры внутри термоэлектрического преобразователя фототермоэлектрической батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения от времени суток в середине июля и января. Показано, что за счет термостабилизации тыльной стороны внешних электродов предложенного устройства удалось достичь увеличения выходного напряжения до максимальных значений 635 мВ в январе и 780 мВ в июле.

Моделирование тандемного тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2

CuInSe2 thin-film solar cells are promising materials for photovoltaic devices. One of the main tasks of researchers is to find ways to increase the solar cells efficiency. In this paper we propose an original structure of a thin-film solar cell based on a tandem connection of a photoelectric converter and a thermoelectric layer based on CuInSe2. The photoelectric converter consists of CuInSe2 and CdS layers. A 3D model of the proposed thin-film solar cell was implemented in the COMSOL Multiphysics environment with using the Heat Transfer module. The simulation was carried out taking into account the diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the power density of the AM1.5 solar spectrum for the geographical coordinates of Minsk. The solar radiation power density of about 500 kW/m2 can be achieved by using concentrators. The temperature pattern and temperature gradients are calculated in each layer of the solar cell without and with the temperature stabilization of the substrate back side as well as without and with the thermal insulation of the substrate ends. Graphs of the temperature gradients of the thermoelectric layer and the temperature variations of the photoelectric converter of the solar cell are given. As a result of the simulation, it is shown how the uneven heating of both the surface of a thin-film solar cell and its layers occur under conditions of diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the solar radiation power density. Under concentrated solar radiation exposure, the photoelectric converter surface can be heated up to 700 °C without temperature stabilization of the solar cell substrate. The operating temperature of the photoelectric converter was maintained at no more than 2.35 °C in January and at no more than 14.23 °C in July due to the temperature stabilization of the substrate back side of the proposed device. This made it possible to achieve an increase in the output power of the solar cell both by summing the photoand thermoelectric output voltages and by the concentration of solar radiation.Тонкопленочные солнечные элементы CuInSe2 зарекомендовали себя как перспективные материалы для солнечной энергетики. Одной из главных задач исследователей является поиск путей повышения эффективности солнечных элементов. В данной работе предложена оригинальная структура тонкопленочного солнечного элемента на основе тандемного соединения фотоэлектрического преобразователя, состоящего из слоев CuInSe2 и CdS, и термоэлектрического слоя, выполненного на основе CuInSe2. Трехмерная модель предлагаемого тонкопленочного солнечного элемента была реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Моделирование осуществлялось для географических координат г. Минска с учетом суточного и сезонного изменения как температуры окружающей среды, так и плотности мощности солнечного излучения спектра AM1.5, максимальное значение которой может быть достигнуто порядка 500 кВт/м2 при использовании концентраторов. Рассчитано распределение температуры и градиентов температуры в каждом слое солнечного элемента без стабилизации и со стабилизацией температуры тыльной стороны подложки, а также при отсутствии и наличии теплоизоляции торцов подложки. Приведены графики градиентов температуры термоэлектрического слоя и изменения температуры фотоэлектрического преобразователя солнечного элемента. В результате моделирования показано, в какой степени происходит неравномерный нагрев как поверхности тонкопленочного солнечного элемента, так и его слоев в условиях суточного и сезонного изменения температуры и плотности мощности солнечного излучения. При воздействии концентрированного солнечного излучения поверхность фотоэлектрического преобразователя солнечного элемента без термостабилизации подложки может нагреваться до 700 °C. Рабочая температура фотоэлектрического преобразователя на уровне не более 2,35 °C в январе и 14,23 °C в июле поддерживалась за счет термостабилизации тыльной стороны подложки предложенного устройства. Это позволило достичь увеличения выходной мощности солнечного элемента как путем суммирования фото- и термоэлектрических выходных напряжений, так и концентрации солнечного излучения

ПРИЕМНИК СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН НА ИСКУССТВЕННЫХ МАТЕРИАЛАХ

The uncooled high-performance bolometric detector based on an array of planar resonant elements, located on the double-threaded spiral trajectory in a strictly geometrical order, with microand nanoscales is developed. It is shown that the proposed detector for submillimeter wavelength range can reach the reflection losses of –26,4 dB, the standing wave ratio of 1,1 and conversion efficiency of ~ 98 %. Разработан неохлаждаемый высокоэффективный болометрический приемник на основе массива планарных резонансных элементов микрои наноразмеров, расположенных по траектории двухзаходной спирали в строго геометрическом порядке. Показано, что предложенный приемник субмиллиметрового диапазона позволяет достичь потерь на отражение -26,4 дБ, коэффициента стоячей волны 1,1 и коэффициента полезного действия ~ 98 %.

How to Build Collective Capabilities: The 3C-Model for Grassroots-led Development

Capabilities need to be built from the bottom-up. Social innovations at the grassroots seek to present new solutions to existing social problems. However, since the poor suffer from limitations on their individual capabilities and agency, they engage in acts of collective agency to generate new collective capabilities that each individual alone would not be able to achieve. The question is: how can these acts of collective agency be initiated, supported and sustained in practice? What roles can development actors (such as the state, donors and NGOs) play in supporting these acts of collective agency? Drawing on the literature on social innovation, the capability approach, participation and empowerment, the paper argues that three crucial C-processes are integral conditions for promoting successful, scalable and sustainable social innovations at the grassroots, namely: (1) Conscientization; (2) Conciliation and (3) Collaboration. By linking the individual, collective and institutional levels of analysis, the paper demonstrates the importance of individual behavioural changes, collective agency and local institutional reforms for the success, sustainability and scalability of social innovations at the grassroots. The paper acknowledges conflict, capture and cooptation as potential limitations and recognizes the role of contextual factors in initiating, implementing and sustaining social innovations at the grassroots

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Recent research and development show promising use of high-performance solid-state receivers of the electromagnetic radiation. These receivers are based on the low-barrier Schottky diodes. The approach to the design of the receivers on the basis of delta-doped low-barrier Schottky diodes with beam leads without bias is especially actively developing because for uncooled receivers of the microwave radiation these diodes have virtually no competition. The purpose of this work is to improve the main parameters and characteristics that determine the practical relevance of the receivers of mid-infrared electromagnetic radiation at the operating room temperature by modifying the electrodes configuration of the diode and optimizing the distance between them. Proposed original design solution of the integrated receiver of mid-infrared radiation on the basis of the low-barrier Schottky diodes with beam leads allows to effectively adjust its main parameters and characteristics. Simulation of the electromagnetic characteristics of the proposed receiver by using the software package HFSS with the basic algorithm of a finite element method which implemented to calculate the behavior of electromagnetic fields on an arbitrary geometry with a predetermined material properties have shown that when the inner parts of the electrodes of the low-barrier Schottky diode is performed in the concentric elliptical convex-concave shape, it can be reduce the reflection losses to -57.75 dB and the standing wave ratio to 1.003 while increasing the directivity up to 23 at a wavelength of 6.09 μm. At this time, the rounded radii of the inner parts of the anode and cathode electrodes are equal 212 nm and 318 nm respectively and the gap setting between them is 106 nm. These parameters will improve the efficiency of the developed infrared optical-promising and electronic equipment for various purposes intended for work in the mid-infrared wavelength range. Исследования и разработки последних лет показывают перспективность использования высокоэффективных твердотельных приемников электромагнитного излучения на основе низкобарьерных диодов Шоттки. Особенно активно развивается подход к конструированию приемников на основе δ-легированных низкобарьерных диодов Шоттки с балочными выводами без смещения, так как для неохлаждаемых приемников микроволнового излучения у них практически нет конкурентов. Целью работы являлось улучшение основных параметров и характеристик, определяющих практическую востребованность приемников электромагнитного излучения среднего инфракрасного диапазона длин волн, работающих при температурах, близких к комнатной, за счет изменения конфигурации электродов диода и оптимизации расстояния между ними. Предложенное оригинальное конструктивное решение интегрального приемника среднего диапазона ИК-излучения на основе низкобарьерных диодов Шоттки с балочными выводами позволяет эффективно корректировать его основные параметры и характеристики. Моделирование электродинамических характеристик предложенного приемника, используя программный пакет HFSS, с базовым алгоритмом метода конечных элементов, реализованным для расчета поведения электромагнитных полей на произвольной геометрии с предварительно заданными свойствами материалов, показало: что при выполнении внутренних частей электродов низкобарьерного диода Шоттки в виде концентрической эллиптической выпукло-вогнутой формы можно достичь снижения потерь на отражение до –57,75 дБ и уменьшения коэффициента стоячей волны до 1,003 при одновременном увеличении коэффициента направленного действия до 23 на длине волны 6,09 мкм. При этом радиусы закруглений внутренних частей анодного и катодного электродов составляли 212 нм и 318 нм соответственно, а зазор между ними 106 нм. Указанные параметры позволят повысить эффективность разрабатываемой инфракрасной перспективной оптикои радиоэлектронной аппаратуры различного целевого назначения, предназначенной для работы в среднем инфракрасном диапазоне длин волн.

Bifurcated homeland and diaspora politics in China and Taiwan towards the Overseas Chinese in Southeast Asia

The conventional literature on diaspora politics tends to focus on one ‘homeland’ state and its relations with ‘sojourning’ diaspora around the world. This paper examines an instance of ‘bifurcated homeland:’ the People's Republic of China and the Republic of China (Taiwan) since 1949. The paper investigates the changing dynamics of China's and Taiwan's diaspora policies towards Overseas Chinese communities in Southeast Asia throughout the Cold War and post-Cold War periods. They were affected by their ideological competition, the rise of Chinese nationalism, and the ‘indigenisation’ of Taiwanese identity. Illustrating such changes through the case of the KMT Yunnanese communities in Northern Thailand, this paper makes two interrelated arguments. First, we should understand relations through the lens of interactive dynamics between international system-level changes and domestic political transformations. Depending on different normative underpinnings of the international system, the foundations of regime legitimacy have changed. Subsequently, the nature of relations between the diaspora and the homeland(s) transformed from one that emphasises ideological differences during the Cold War, to one infused with nationalist authenticity in the post-Cold War period. Second, the bifurcated nature of the two homelands also created mutual influences on their diaspora policies during periods of intense competition

Correlations, Causes and the Logic of Obscuration: Donor Shaping of Dominant Narratives in Indonesia's Irrigation Development

This article analyses policy trends in Indonesian irrigation, particularly during the last five decades, from the perspective of dominant narratives, as authored, suggested and pushed by international donors. It argues that international donors' adherence to ‘deferred maintenance’ as the core element of irrigation policy problem framing does not match with farmers' and the irrigation agency staff perceptions and practices. The logic of obscuration and the discursive manoeuvers that maintain it are analysed. The article concludes that there is space for more profound conceptual contestation and for alternative actions pathways even within the ‘dominant paradigm’ to address management problems more effectively