Источники бесперебойного питания на основе солнечных фотоэлементов как составляющая обеспечения информационной безопасности

В данной статье рассматривается система обеспечения бесперебойного питания на основе солнечных полупроводниковых панелей как составляющая информационной безопасности организаций и предприятий, а также обосновывается эффективность их применения как варианта получения альтернативной энергии.

Важнейшей составляющей информационной безопасности предприятий и организаций являются системы бесперебойного питания, обеспечивающие постоянную работоспособность охранных систем, систем контроля и управления доступом (СКУД), а также защищающие от потери информации при инцидентах, связанных с отключением питания основной сети или выходом из строя отдельных ее узлов.

К системам бесперебойного питания обычно относят:

• источники бесперебойного питания;
• резервирование нагрузки;
• генераторы напряжения.

В связи с глобализацией перехода на альтернативные источники энергии как экологически чистые и возобновляемые источники, а также требованиями энергетической безопасности, актуальным решением данной проблемы является использование систем бесперебойного питания, основанных на получении энергии с помощью полупроводниковых солнечных элементов типа AIIIBV. Сегодня альтернативные источники энергии уже широко используются для решения проблем энергоснабжения не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе. Доступность технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволяет строить энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой в удаленных районах и решать проблемы энергоснабжения уже существующих объектов.

Основным материалом для солнечных элементов служит кремний. Материал этот чрезвычайно распространен на Земле. Его доля в земной коре не менее 25%. Однако, в природном виде он непригоден для производства фотоэлементов, его нужно специальным образом очистить. Например, в 1000 граммах песка содержится 500 граммов кремния, а по наиболее популярной поныне технологии электродугового извлечения и хлор­силановой очистки из этого количества получается порядка 60–90 граммов кремния «солнечного» качества. В 70-х годах прошлого века Siemens предложил карботермический цикл для очистки кремния. Способ этот менее затратен и более эффективен, но исходный материал нужен более качественный, чем песок из детской песочницы. Из 1 кг «солнечного» кремния можно изготовить столько ФЭП, что они за свой срок службы могут выработать столько электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефтепродуктов или из 1 кг обогащенного урана. Сейчас КПД серийных солнечных батарей приближается к 20%. Еще 10 лет назад КПД 12% считался хорошим, а до этого, в течение почти 20 лет, КПД достигал 10%, т.е. налицо рост эффективности фотопреобразователей. Кроме того, монополия монокристалла разрушена, и появились новые производители в фотоэлектрическом преобразовании (ФЭП). Это «рывок» поликристалла, рождение аморфного (тонкопленочного) кремния и его экзотических собратьев на основе органики и красителей. Последние, конечно, обладают весьма скромными показателями по КПД, но их положительные стороны — экологическая безопасность, гибкость конструкции, простота монтажа, низкие себестоимость и утилизация. Но, помимо увеличения эффективности солнечных модулей, перед солнечными энергетиками стоит проблема запасания произведенной электроэнергии. Впрочем, эта проблема знакома и обычным энергетикам. Имеются предложения — дневные излишки запасать в аккумуляторах, в суперконденсаторах или в гигантских маховиках. Подобные «электрохранилища» будут очень дорогими. Чтобы потреблять «солнечное» электричество, не аккумулируя его, необходимо рассредоточить СЭС (солнечные электростанции) равномерно по планете в районах с хорошей инсоляцией. Во-первых, это избавит от транспортирования электроэнергии на значительные расстояния, а, во-вторых, это позволит избежать изменения климата в месте установки одной общей для всей планеты СЭС.

GaAs — один из основных полупроводниковых материалов, относящийся к классу соединений AIIIBV. Благодаря удачному сочетанию свойств занимает второе место (после кремния) по своему значению в современной электронной технике. Арсенид галлия имеет неплохие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны, высокую подвижность электронов, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Кристаллы арсенида галлия кристаллизуются в решетке сфалерита. Постоянная решетки при 300 К равна 5,6533 А, расстояние между ближайшими соседними атомами — 2,45 А; относительная молекулярная масса — 144,63; число атомов в 1 см3 — 4,42 x 1022; плотность GaAs в твердом состоянии — 5,32 г/см3, в жидком состоянии — 5,71 г/см3; температура плавления Тпл = 1238°С; равновесное давление паров мышьяка в точке плавления ~ 1.105 Па (0,98 атм), что в значительной мере усложняет технологию его получения. Твердость по минералогической шкале — 4,5; температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР = 6,4 x 10-6 К-1; ширина запрещенной зоны — 1,43 эВ; диэлектрическая проницаемость статическая — 12,9, высокочастотная — 10,89.

Электрофизические свойства нелегированного арсенида галлия в сильной степени зависят от состава и концентрации собственных точечных дефектов, концентрации фоновых примесей и режимов термообработки слитков. Для получения монокристаллов n- и p-типа проводимости с заданной концентрацией носителей заряда используют легирование электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов n-типа являются S, Se, Te, Si, Sn, а при получении монокристаллов p-типа — Zn.

Арсенид галлия не взаимодействует с водой, но активно разлагается под действием кислот с выделением токсичного арсина. Удельная скорость растворения арсенида галлия существенно возрастает в смесях кислот. При нагреве на воздухе до 300°С арсенид галлия не окисляется. Арсенид галлия относится к числу разлагающихся соединений. Начиная с 600°С, разлагается с выделением мышьяка. Расплавленный арсенид галлия очень активен и взаимодействует практически со всеми известными материалами, используемыми для изготовления контейнеров. Наибольшее распространение в технологии арсенида галлия нашел синтетический кварц. Для получения высокочистого полуизолирующего арсенида галлия применяют пиролитический нитрид бора.

Структурные характеристики GaAs

Одной из основных технологических характеристик GaAs является плотность дислокаций Nd (число линий дислокаций, пересекающих единицу поверхности кристалла). Характер распределения и величина плотности дислокаций оказывают влияние на рабочие параметры изготавливаемых на его основе приборов. В производстве светодиодов применяют кристаллы с Nd = (5–10).103 см-2, в производстве лазеров — с Nd = 5.102 см-2. Присутствие дислокаций в активных областях светоизлучательных структур, изготовленных на сильно легированных пластинах GaAs n- и p-типа проводимости, приводит к быстрой деградации характеристик прибора. В связи с этим низкая плотность дислокаций является основным требованием к материалу. Характер распределения дислокаций и их плотность влияют также на распределение параметров СВЧ-приборов по площади пластины нелегированного полуизолирующего (ПИ) GaAs. Это связано с перераспределением собственных точечных дефектов вблизи дислокаций.

Получение малодислокационных и бездислокационных кристаллов GaAs является сложной технологической задачей, к настоящему времени практически нерешенной. Исключение составляют сильно легированные кристаллы, так как введение легирующих примесей при достижении определенного уровня легирования сопровождается эффектом «примесного упрочнения» — снижения плотности дислокаций — в кристаллах арсенида галлия. Плотность дислокаций в кристаллах полупроводников определяется термопластической деформацией, которая успевает пройти в кристалле в процессе релаксации термоупругих напряжений, т.е. зависит от условий получения (метода выращивания), диаметра кристалла и концентрации легирующей примеси.

Повышение эффективности преобразования солнечной энергии в широком диапазоне концентрации светового потока, как известно, предусматривает, наряду со снижением потерь на последовательном электрическом сопротивлении, улучшение отвода больших удельных тепловых потоков от p-n-перехода.

Тепловые свойства солнечных элементов (СЭ) на основе GaAs/AlGaAs гетероструктур, полученных методом жидкофазной эпитаксии на монокристаллических подложках GaP, суммарная толщина GaAs p- и n-типа проводимости не превышает 5 мкм, а толщина подложки составляет ~300 мкм, структуры имеют симметричные контактные сетки на поверхностном AlGaAs и тыльном GaP. Концентрирование солнечных потоков может осуществляться с помощью линз Френеля.

Благодаря малой суммарной толщине сильно поглощающего узкозонного GaAs слоя и наличия широкозонного GaP с непрямой зонной структурой, поглощение тепловых фотонов в данных структурах существенно ослабляется. Это способствует ослаблению роста температуры p-n-перехода и улучшению теплового режима СЭ.

Улучшению теплового режима вышеперечисленных СЭ способствует также относительно высокий коэффициент теплопроводности (0,77 Вт/см2) GaP по сравнению с кристаллами GaAs (0,46 Вт/см2). Так как в структурах «прозрачной» конструкции поток тепла в сторону подложки возрастает более чем в 1,5 раза по сравнению с GaAs СЭ традиционной конструкции, эффективность отвода тепла от СЭ заметно возрастает.

При коэффициенте концентрации Кс=100 прирост температуры p-n-перехода в таких структурах не превышает 90 К, что почти в 2 раза ниже, чем в традиционных СЭ на основе GaAs. Поэтому при одинаковом уровне освещенности потери по напряжению и мощности в СЭ «прозрачной» конструкции в 2 раза ниже. Данное свойство можно улучшить также путем выбора оптимальной ширины структуры.

Эффективность использования тех или иных альтернативных источников энергии напрямую зависит от региона, в котором необходима установка. Качественный мониторинг энергопотенциала позволяет определять наиболее подходящую технологию и рассчитывать ее окупаемость на годы вперед, а также исключает ошибки, связанные с региональными особенностями.

Как видно из характеристик, солнечные панели могут служить эффективным источником энергии, а с использованием систем аккумулирования энергии еще и полноправным источником бесперебойного питания, при этом являясь экологически чистым видом энергии.

Основными параметрами инверторов для солнечных панелей могут являться:

1. Входное напряжение.

Выбор входного напряжения необходимо согласовывать с мощностью инвертора, поскольку с увеличением выходной мощности растут входные токи, что приводит к более тяжелым условиям работы транзисторов выходного каскада и к большим потерям на соединительных проводах. Снизить входные токи и, соответственно, уменьшить потери позволяет выбор более высокого входного напряжения.

2. Номинальная и пиковая выходная мощность.

В идеале, номинальная выходная мощность инвертора должна быть равна сумме мощностей всех нагрузок. Однако, в реальнос­ти чаще делают выбор по нагрузке с максимальной мощностью. При этом необходимо учитывать и пусковые токи всех нагрузок, которые могут быть в 10 раз больше рабочих (например, у холодильников или насосов). Умножив пусковой ток на напряжение (220 В) мы получим пусковую мощность, которая должна быть меньше пиковой.

3. Форма выходного напряжения (чистый синус, квазисинусоида, прямоугольная).

Квазисинусоида — это своего рода компромисс между прямоугольной формой и чистым синусом. Большинство синусоидальных моделей являются качественными, однако встречаются и ненадежные экземпляры.

Качественный инвертор должен обладать максимальным количеством защит:

• от высокого и низкого напряжения аккумуляторной батареи;
• от короткого замыкания (КЗ) по выходу;
• от перегрузки по выходу;
• от перегрева.

4. Наличие защит предотвратит выход из строя в экстренных ситуациях.

Коэффициент полезного действия солнечного инвертора в конечном счете определяет, сколько энергии будет потрачено впустую (просто на то, чтобы он работал). Современные модели имеют КПД 90–95%. При КПД ниже 90% более 10% энергии будет истрачено впустую, что не допустимо для солнечной электростанции, где каждый Ватт на счету.

5. Потребляемая мощность без нагрузки и в режиме ожидания.

Одним из важных параметров также является потребляемая мощность без нагрузки. Этот параметр должен быть в районе 1% от номинальной мощности. То есть, например, если номинальная мощность равна 600 Вт, то потребление без нагрузки должно быть около 6 Вт.

Наличие дежурного режима позволяет значительно сэкономить энергию, запасенную в аккумуляторах. Чтобы не возникло проблем с подключением нагрузок малой мощности, нужно, чтобы дежурный режим можно было отключать вручную. Поскольку, если его нельзя отключить, то может возникнуть ситуация, когда инвертор не выйдет из дежурного режима при подключении нагрузки (например, зарядника сотового телефона).

Исходя из вышеперечисленного, можно сказать, что при выборе средств физической защиты следует производить анализ рисков. Так, принимая решение о закупке источника бесперебойного питания, необходимо учесть качество электропитания в организации, на предприятии, характер и длительность нарушений питания, стоимость доступных источников и возможные потери от аварий (выход из строя техники, приостановка работы организации и т.п.). В то же время, во многих случаях решения очевидны. Меры противопожарной безопасности обязательны для всех организаций. Стоимость реализации многих мер (например, установка обычного замка на дверь серверной комнаты) очень мала, другие имеют хоть и заметную стоимость, но все же явно меньшую, чем возможный ущерб. К числу последних можно отнести регулярное копирование больших баз данных. Физическая защита, как и другие области информационной безопасности, должна базироваться на здравом смысле, который подскажет большинство решений.

Авторы: Максадхан Якубов, доктор технических наук, профессор Ташкентского университета информационных технологий,
Богдан Шкляревский, ведущий специалист Центра обеспечения информационной безопасности Министерства по развитию информационных технологий и коммуникаций Республики Узбекистан/

Источник.