Phonon spectrum and vibrational characteristics of linear nanostructures in solid matrices

The atomic dynamics of linear chains embedded in a crystalline matrix or adsorbed on its surface is studied. A linear chain formed by substitutional impurities in a surface layer and at the same time offsetting from this layer was analyzed particularly. This system models the actively studied experimentally structures in which gas molecules are adsorbed on the walls of the bundles of carbon nanotubes located in certain medium. It is shown that the quasi-one-dimensional features are typical for the chains in which the interatomic interaction is higher than the interaction between the atoms of the chain and the atoms of the crystal matrix. On the local phonon density of atoms of the chain the transition to quasi-one-dimensional behavior has the form of the kink. In other words, it is the first (lowest-frequency) van Hove singularity, which in 3D structures (the system under consideration is generally three-dimensional) corresponds to the transition from closed to open constant-frequency (quasi-plane) surfaces. The local phonon densities of atoms in the chain have one-dimensional character at frequencies higher than the frequency of the van Hove singularity. The rms amplitude of embedded chains atoms vibrations is calculated and the behavior of the atomic vibrations contribution in the low-temperature heat capacity of the system is analyzed

Effect of step-edge on spectral properties and planar stability of metallic bigraphene

Phonon and electron spectra of metallic bigraphene are analyzed in the presence of step-edge crystal imperfection. Different geometries of step-edge are considered. The dynamic planar stability of the considered structure is proved for temperatures above the ambient. The number of phonon states is shown to grow near the K-point of the first Brillouin zone, compared to pristine graphene. It is found, that this type of defects causes substantially nonuniform distribution of electron states and the pronounced increase in the number of states with energies close to Fermi energy can be expected in electron spectrum of the graphene-based compounds. The performed calculations are in good agreement with inelastic neutron, x-ray and Raman measurements

Одновісна модель теплового балансу сонячного колектора

В роботі розглядаються фотоелектричні (PV) системи, які є одними з найперспективніших систем відновлюваних джерел енергії. Електроенергія, що виробляється PV панелями, має великий потенціал, але й технологічні недоліки, які не дають отримати максимальну ефективність. Цель нашого дослідження – зменшення технологічних недоліків, що дозволить збільшити термін служби PV систем та кількість отриманої електроенергії. Отримана модель дозволяє розглядати технічні параметри, які враховують втрати теплової енергії та тепловий опір пластини абсорбера. Результати розрахунків, що були проведені, співпадають з експериментальним даним. Основною метою запропонованого дослідження є розгляд методу підвищення ефективності та терміну служби PV систем. У статті коротко представлені теоретичні методи підвищення ефективності таких систем, а також збільшення терміну служби шляхом моделювання параметрів охолодження поверхні поглинача таких систем та відстеження максимальної потужності. Моделювання та отримана теоретична модель дозволять у майбутньому вибрати найбільш підходящі технічні рішення для максимального виходу енергії PV систем для різних конструктивних рішень.The paper considers photovoltaic (PV) systems, which are one of the most promising systems of renewable energy sources. The electricity produced by PV panels has great potential, but also has technological shortcomings that do not allow obtaining maximum efficiency. The aim of our study is to reduce technological shortcomings, which will increase the service life of PV systems and the amount of electricity received. The obtained model allows considering the technical parameters that take into account the heat loss and thermal resistance of the absorber plate. The results of the calculations performed coincide with the experimental data. The main aim of the proposed research is to consider a method for increasing the efficiency and lifetime of PV systems. This article briefly presents theoretical methods for increasing the efficiency of such systems, as well as increasing the service life, by simulating the cooling parameters of the absorber surface of such systems and tracking the maximum power. Modeling and the obtained theoretical model will allow in the future to select the most suitable technical solutions for the maximum energy output of PV systems for various design solutions

Удосконалення базової моделі сонячного колектора для PVT системи

У статті запропонована основа загальної моделі теплового обміну сонячного колектора і розглянуто найбільш важливі параметри для процесів тепловіддачі, такі як коефіцієнт теплової конвекції води, швидкість і потужності потоку води, які в основному визначаються параметрами системи та швидкістю потоку рідини, а також ґрунтуючись на експериментальних дослідженнях даних систем. У запропонованій моделі пропонується враховувати турбулізацію потоку рідини, а також вибрати найбільш ефективний режим руху рідини, а, отже, і швидкість потоку рідини для перенесення тепла. У статті коротко представлені методи збільшення кількості теплоти, що відводиться від поверхні сонячного колектора, за рахунок потоку сумарної сонячної радіації, а також методи оптимізації для різних градієнтів температур. Аналіз отриманих результатів показує, що методи збільшення ефективності відведення тепла від поверхні, яка відповідає досягненню максимальної відібраної потужності, сильно залежать від швидкості потоку рідини та градієнта температур. Визначено найбільш оптимальні значення градієнта температур на основі аналітики швидкості потоку рідини і величини відібраної потужності.The paper proposes a framework of a general model of the thermal exchange of the solar collector and reviews the most important parameters for the heat-transfer processes such as the coefficient of thermal convection of water, the water flow rate and water flow power which are mainly determined by the system parameters and fluid flow rates and also based on experimental studies of the systems. In the model under consideration, it is proposed to take into account the turbulence of the fluid flow, as well as to choose the most effective mode of fluid motion, and, consequently, the fluid flow rate for heat transfer. Methods for increasing the amount of heat, which is removed from the surface of the solar collector, coming to it, at the expense of the total solar radiation, as well as methods of optimization for different temperature gradients are briefly presented in this article. An analysis of the results shows that methods for increasing the efficiency of heat removal from the surface, which corresponds to the achievement of the maximum power withdrawn, strongly depend on the fluid flow rate and temperature gradient. The optimal values of the temperature gradient are identified based on analytics of the fluid flow rate and magnitude of power withdrawn

Двовісна модель теплового балансу сонячного колектора

В роботі розглядаються сонячні колектори та термофотоелектричні системи (PV/T), що є одними з найперспективніших систем відновлюваних джерел енергії. Електроенергія, що виробляється фотоелектричними панелями, має великий потенціал, але й має технологічні недоліки, що не дають отримати максимальну ефективність. Метою нашого дослідження є розробка універсальної моделі теплообмінних процесів для оптимізації конструктивних особливостей PV/T систем на етапах проектування та виробництва, що дозволить збільшити термін служби таких систем та їх ефективність. Розроблена модель дозволяє враховувати більшість практичних параметрів за двома координатами плаского колектора, які враховують втрати теплової енергії, тепловий опір пластини абсорбера, теплообмін, робочі температури, тощо. Результати проведених модельних розрахунків корелюють з експериментальним даними. На основі запропонованої моделі розроблено програмний продукт для моделювання PV/T систем та проведено його тестування на відомих експериментальних результатах та готових PV/T системах. При проведенні розрахунків з використанням базових параметрів отримано нагрівання теплоносія при проходженні одного сегмента колектора приблизно на 1,5 °С. Зазначене зростання температури досягається при швидкості теплоносія 0,6 м/с, що є досить великою швидкістю. Найбільш оптимальним буде досягнення нагрівання теплоносія при проходженні через колектор на 5 °С, що дозволить знизити швидкість протікання теплоносія аж до 0,2 м/с і значно знизити витрати електричної енергії на роботу помпи. Використання розробленої моделі дозволить вирішувати широке коло оптимізаційних завдань на етапах проектування та оптимізації сонячних колекторів та PV/T систем, отримувати оптимальні параметри конструкції для досягнення найбільшої ефективності та мінімальної собівартості.In research, solar collectors and photovoltaic systems (PV/T) are considered, which are one of the most promising systems of renewable energy sources. Electricity, which is produced by photovoltaic panels, has great potential, but there may be technological shortcomings, which do not give maximum efficiency. The main goal of our research is to develop a universal model of heat exchange processes for optimizing the design features of PV/T systems at the stages of design and variability, which allows us to increase the term of service of such systems and their efficiency. The expanded model allows you to change more practical parameters for two coordinates of a flat collector, such as to change the consumption of thermal energy, thermal support of the absorber plate, heat exchange, operating temperature, etc. The results of model investigations correlate with the experimental data. On the basis of the proposed model, a software product for the modeling of PV/T systems was developed and tested on the experimental results of those ready-towear PV/T systems. In the course of carrying out the expansions, depending on the basic parameters, the heating was removed when one segment of the collector was passed by approximately 1.5 °C. The designated increase in temperature was reached at a heat transfer rate of 0.6 m/s, which allows high rates to be achieved. The most optimal will be the heating when passing through the collector by 5 °C, which will allow to reduce the heat transfer rate to 0.2 m/s and significantly reduce the amount of electricity consumed by the pump. The variation of the expanded model allows to implement a wide range of optimization tasks at the stages of designing and optimizing solar collectors and PV/T systems, to take the optimal design parameters to achieve the greatest efficiency and minimum occupancy

Anisotropic behavior and inhomogeneity of atomic local densities of states in graphene with vacancy groups

The electron local density of states (LDOS) are calculated for graphene with isolated vacancies, divacancies and vacancy group of four nearest-neighbor vacancies. A strong anisotropy of behavior of LDOS near Fermi level is demonstrated for atoms near defect. Effect of next-to-nearest neighbor interaction on the properties of graphene with vacancies is established

Аналіз механізмів підвищення ефективності промислових кремнієвих сонячних батарей

Досліджено можливості підвищення ефективності понад 20 % для кремнієвих фотоелектричних перетворювачів китайського виробництва. Методом комп'ютерного моделювання встановлено, що реалізовані в таких фотоелектричних перетворювачах часи життя нерівноважних носіїв заряду, які складають 520 мкс, не обмежують можливість збільшення їх ККД понад 20 %. Показано, що збільшення густини фотоструму до 43,1 мА/см2 призводить до зростання ККД до 20,1 %, а зниження густини діодного струму насичення до 3,1∙10 – 14 A/см2 зумовлює зростання ККД до 20,4 %. Одночасна зміна цих діодних характеристик призводить до збільшення ККД до 23,1 %. У роботі пропонуються фізикотехнологічні підходи для збільшення густини фотоструму і зменшення густини діодного струму насичення в готових фотоелектричних перетворювачах. У статті проведено дослідження впливу робочої температури на ефективність кристалічних кремнієвих фотоелектричних перетворювачів. Показано, що зі зростанням робочої температури відносне зниження ККД монокристалічних приладів становить – 0,7 відн. %/C, що істотно вище, ніж в приладових структурах європейського виробництва і обумовлено нетрадиційним зниженням густини струму короткого замикання. Математичне моделювання впливу світлових діодних характеристик на ККД кристалічних кремнієвих сонячних елементів показало, що зменшення ефективності приладових структур при збільшенні робочої температури обумовлено не тільки зростанням густини діодного струму насичення з 10 – 13 до 3·10 – 13 А, що складає 300 %, але й зниженням шунтуючого опору з 2,5 до 1,5 кОм. Дослідження впливу робочої температури на діодний струм насичення показало, що висота потенційного бар'єру в досліджених кремнієвих фотоелектричних перетворювачах складає 0,87 еВ, що обумовлено недостанім рівнем легування базового матеріалу. Обмеженість висоти потенційного бар'єру призводить до нетрадиційного зниження електроопору, що шунтує, при збільшенні робочої температури.Possibilities of increasing the efficiency by more than 20 % for silicon photoelectric converters made in China have been investigated. It has been established by the method of computer simulation that the lifetimes of nonequilibrium charge carriers, which are 520 µs, realized in such photoelectric converters, do not limit the possibility of increasing their efficiency by more than 20 %. It has been shown that an increase in the photocurrent density to 43.1 mA/cm2 leads to an increase in the efficiency to 20.1 %, and a decrease in the diode saturation current density to 3.1∙10 – 14 A/cm2 leads to an increase in the efficiency to 20.4 %. Simultaneous change of these diode characteristics leads to an increase in the efficiency to 23.1 %. The paper proposes physical and technological approaches to increase the photocurrent density and reduce the diode saturation current density in ready-made photovoltaic converters. The study of the influence of operating temperature on the efficiency of crystalline silicon photoelectric converters has been carried out in the article. It has been shown that with increasing operating temperature the relative decrease in the efficiency of single-crystal devices is – 0.7 relative %/C, which is significantly higher than in the device structures of European production and due to non-traditional decrease in short-circuit current density. Mathematical modeling of the influence of light-emitting diode characteristics on the efficiency of crystalline silicon solar cells showed that a decrease in the efficiency of device structures with increasing operating temperature is due not only to an increase in diode saturation current density from 10 – 13 to 3·10 – 13 A, which is 300 %, but also by reducing the shunt resistance from 2.5 to 1.5 kOhm. A study of the effect of operating temperature on the diode saturation current showed that the height of the potential barrier in the studied silicon photovoltaic converters is 0.87 eV due to the insufficient level of doping of the base material. The limited height of the potential barrier leads to an unconventional decrease in the shunt resistance with increasing operating temperature