SOLAR RADIATION CONCENTRATORS
Статья поступила в редакцию 02.04.15. Ред. рег. № 2219
The article has entered in publishing office 02.04.15. Ed. reg. No. 2219
УДК 621.40
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ
В.А. Майоров, Д.С. Стребков, С.Н. Трушевский
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 129128 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: 8 (499) 171-96-70, 8 (915) 297-42-48; e-mail: solarlab@mail.ru, tsn37@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 06.04.15 Заключение совета экспертов: 10.04.15 Принято к публикации: 14.04.15
В данной работе исследованы новые фотоэлектрические модули, включающие трапециевидные приемники, на гранях которых смонтированы фотоэлементы, и полупараболоцилиндрические концентраторы, обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую. Проведено математическое моделирование для создания алгоритма расчета конструкции теплофотоэлектрического модуля с заданными энергетическими параметрами с использованием законов геометрической оптики, а также тепло- и массообмена. При использовании подобных модулей, в основе которых находится параболоцилиндрический концентратор c фотоприемником и системой протока теплоносителя, возможно создание когенерационных установок для выработки электричества и тепла. Разработанные и изготовленные макетные образцы модулей исследовались на соответствующих стендах и испытывались в натурных условиях. Отклонение экспериментальных значений от расчетных не превышало 10%. Такой солнечный модуль с полупараболоцилиндрическим концентратором с линейчатым трапециевидным фотоприемником концентрированного излучения и системой протока теплоносителя при испытаниях генерировал максимальную мощность 254 Вт при температуре ФЭП 43 °С, 219 Вт при температуре 74 °С и 236 Вт - при 58 °С. Конструкция обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.
Отдельно на экспериментальном модуле проведены исследования матричного высоковольтного фотопреобразователя, состоящего из 3 параллельно соединенных фотоэлементов, закрепленных на трапецеидальном фотоприемнике. Показано, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при непосредственном освещении солнечным светом, значения коэффициентов заполнения ВАХ m = 0,728 и 0,660 соответственно.
Ключевые слова: фотоэлектрический, трапециевидный приемник, полупараболоцилиндрический концентратор, геометрическая оптика, теплоноситель, когенерация, матричный высоковольтный фотопреобразователь.
INVESTIGATIONS OF CONSTRUCTIVE AND ENERGETIC PARAMETERS OF SOLAR RADIATION RECEIVERS WITH CONCENTRATORS
V.A. Mayorov, D.S. Strebkov, S.N. Trushevsky
The All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 2, 1st Veshnyakovskii str., Moskow, 129128, Russia Tel.: 8 (499) 171 96 70, 8 (915) 297 42 48; e-mail: solarlab@mail.ru, tsn37@mail.ru
Referred: 06.04.15 Expertise: 10.04.15 Accepted: 14.04.15
In this paper some new photovoltaic modules, including trapeziform with mounted photocells receiver and half-parabolocylindrical concentrator, to ensure efficient conversion of solar energy into heat and electricity, was investigation. The mathematical modeling to creation a computational algorithm design thermo-photoelectrical module the specified power parameters using laws of geometrical optics, as well as heat and mass transfer. When using such modules, in which basis is half-parabolocylindrical concentrator and photocell system with coolant flow can create cogeneration plants to generate electricity and heat. Developed by this method of model samples are examined for appropriate stands and tested in field conditions. The heat and electrical parameters become defined according to the calculation results to within 10%.
№ 06 (170) Международный научный журнал
The solar module with half-parabolocylindrical concentrator, trapeziform concentrated radiation receiver with mounted photoсells and coolant flow system delivers maximum output 254 W at 43 °C, 219 W at 74 °C and 236 W at 58 °C. Concentrating solar radiation to 50, uniformly of insolation 0.25.
The solar module with half-parabolocylindrical concentrator, trapeziform concentrated radiation receiver with mounted matrix high-photovoltaic сells and coolant flow system was investigated also. Coefficients of occupy volt-amperes characteristic was m = 0,728 and 0,660 for concentrate and non concentrate solar stream correspondingly.
Keywords: photovoltaic, trapeziform receiver, half-parabolocylindrical concentrator, geometrical optic, heat flow system, cogeneration, matrix high-photovoltaic œlls.
Дмитрий Семенович Стребков D.S. Strebkov
Сведения об авторе: директор ГНУ ВИЭСХ, академик РАН, д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ. Профессиональный опыт 55 лет.
Область научных интересов: альтернативные источники энергии, полупроводниковая физика.
Публикации: 1400, в том числе 400 изобретений.
РИНЦ: 441 публикация, индекс Хирша 10. SPIN 2864-5630.
Scopus: 63 публикации, индекс Хирша - 3.
Information about the author: VIESH, director, academician RAS, professional experience of 55 years.
Research area: alternative energy, semiconductor physics.
Publications: more than 1400 publications.
PHHU: 441 publications. H-index 10. SPIN 2864-5630.
Scopus: 63 publications, Index of Khirsh - 3.
Владимир Александрович Майоров V.A. Mayorov
Сведения об авторе: заведующий лабораторией ВИЭСХ, канд. техн. наук, профессиональный опыт 47 лет.
Область научных интересов: теплофизика, теплотехника, гелиотехника.
Публикации: свыше 80.
РИНЦ: 33, индекс Хирша - 1, SPIN 1183-0275.
Scopus: 4 публикации.
Information about the author: VIESH, head of laboratory, Ph.D., senior research associate; professional experience of 47 years.
Research area: thermal physics, heat engineering, solar technology. Publications: more than 80.
PHHU,: 33 publications, H-index - 1, SPIN 1677-3738. Scopus: 4 publications.
Станислав Николаевич Трушевский S.N. Trushevskiy
Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник ВИЭСХ, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, профессиональный опыт 55 лет.
Образование: Днепропетровский гос. университет (1959).
Область научных интересов: теплофизика, теплотехника, гелиотехника.
Публикации: свыше 200.
РИНЦ: 24 публикации, индекс Хирша - 3.
Information about the author: leading research associate, higher education, Ph.D., senior research associate; professional experience of 55 years.
Education: Dnepropetrovsk State University (1959).
Research area: thermal physics, heat engineering, solar technology.
Publications: more than 200.
PHHU: 24 publications, Index of Khirsh - 3.
№ 06 (170) Международный научный журнал
Введение
Концентрирующие солнечные коллекторы являются одним из основных средств для преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую. В результате концентрирования солнечной радиации получается высокая плотность теплового потока и, соответственно, высокая температура приемника, которая не всегда приемлема для функционирования фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Однако известна зависимость КПД от температуры. Если охлаждать ФЭП, можно получить больше электроэнергии и дополнительное тепло.
В данной работе исследованы новые фотоэлектрические модули, включающие трапециевидные приемники, на гранях которых смонтированы фотоэлементы, и параболоцилиндрические концентраторы в виде полуветви, образующей цилиндр параболы (полупараболоцилиндрический концентратор), обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.
Использование концентраторов в составе солнечных энергетических установок или солнечных фотоэлектрических электростанций является одним из эффективных путей снижения себестоимости фотоэлектрической энергии. Актуальной задачей является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.
В данной статье приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований оптико-энергетических, тепловых и температурных параметров приемников солнечного излучения трапецеидального типа в составе солнечных модулей с пара-болоцилиндрическими концентраторами.
Расчет оптико-энергетических параметров приемников излучения трапецеидального типа
в составе солнечных модулей с параболоцилиндрическими концентраторами
Схема конструкции солнечного модуля с парабо-лоцилиндрическим концентратором, ходом лучей от поверхности концентратора до поверхностей трапецеидального фотоприемника (ТФП) представлена на рис. 1.
ТФП выполнен в виде трех линеек из коммутированных на гранях трапеции высоковольтных или планарных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) шириной йн, йср, йъ. Каждая грань ТФП освещается своей частью концентратора.
Верхняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Хв, Ув; Х,У}.
Значения координат Х,У определяются шириной концентратора, а координаты Хвп, Увп определяются по формулам:
Xв„ = 2f [l/cos)-tg£-8«)] ; (1)
= хЦ4 f,
где 8и =(ф + £) «/« ; n = 0, 1, . расстояние параболы.
(2)
«0; f - фокусное
Рис. 1. Схема конструкции фотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором и ходом лучей от поверхности концентратора до ТФП шириной dн, ^ср, ^ Fig. 1. The scheme of photovoltaic module with the parabolo-cylindrical concentrator and motions of rays from surfaces concentrator to trapezoidal line radiation receivers dн, dcp, da
Распределение концентрации освещенности по ширине фокального пятна на верхней поверхности ТФП определяется как
где
Kb« — AXB« / AöL
dBn = €sin8«/cosßsin(^ + ß + 8n);
AdB« dB(n+1) dB«;
AX>„= Xb
(n+1)
- Xb.
гяц = (I - ^ср)/2^в. (7)
Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.