Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии
Стребков Д.С., доктор технических наук, профессор, академик, директор Тверьянович Э.В., кандидат технических наук, начальник отдела Шеповалова О.В., аспирант (Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства)
СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ С ПОЛУТОРОИДАЛЬНЫМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ
Солнечные модули с концентраторами - один из основных путей снижения стоимости и повышения КПД фтоэлектрических систем [1-3]. Актуальной задачей является создание стационарных солнечных модулей (СМ) с концентраторами на базе планарных кремниевых ФП с двухсторонней рабочей поверхностью.
На рис. 4.1. представлен разработанный солнечный модуль с цилиндрическим полутороидальным конценратором.
h-A А-А
12 3 4
а) б)
Рис. 4.1. Солнечный модуль с полутороидальным концентратором: а) - общий вид; б) - ход лучей 1 - полутороидальный зеркальный отражатель; 2 - плоскость миделя; 3 - приемник излучения (ПИ) круглой формы; 4 - лицевая поверхность ПИ; 5 - тыльная поверхность ПИ
Концентратор представляет собой У тора, полученную разрезанием тора по продольной плоскости симметрии, внутренняя поверхность полутора зеркальная. Я ~ Г , где Я -расстояние между центром полуокружности и осью симметрии концентратора. Приёмник
излучения с двухсторонней рабочей поверхностью установлен в плоскости миделя, центр симметрии приёмника совпадает с центром симметрии концентратора, габаритные размеры равны диаметру образующих концентратора.
Солнечное излучение поступает на полутороидальный зеркальный отражатель и после одного или нескольких переотражений попадает на тыльную поверхность приемника излучения. Одновременно освещается лицевая поверхность приемника. Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля равен:
K
/ \2 V D У
4
и
K
nD2 1
4 D2
п
для приемника излучения круглой формы диаметром Б1 и для квадратного приемника со стороной Б1, соответственно.
Если приемник имеет только одну рабочую поверхность, обращенную к поверхности зеркального отражателя, то
K =
V D1У
1 = 3
и
D2 =2 d
K = П 4
Di
V D1 У
.2
1 = п-1
D2 =2 D
D =2 D
D =2 D
2
2
Теоритически R = r и D2 = 2D1. В реальных конструкциях R = r + а, где а -
технологический коэффициент, т.е. R = Г В каждой конкретной конструкции а ^ min
и, в общем случае, зависит от размеров приемника излучения (расстояние между элементами в центральном ряду, расстояние от крайних элементов до края корпуса и т.д.) и способа крепления приёмника. При изготовлении СМ задающими являются размеры ФП, размеры СБ на их основе: D2 = 2D1 = 2 ( D1 + а ) о D2 = 2( иёфп + а ), где D2 - внутрен ний диаметр изготавливаемого концентратора, ёфп - размер ФП, n -количество ФП в центральном ряду по оси симметрии СМ.
Исследования показывают, что круглая форма приёмника излучения даёт больший коэффициент концентрации и может быть предпочтительна при использовании единичного ФП круглой формы, а также с точки зрения эстетического восприятия потребителя. Квадратная форма на основе псевдо-квадратных ФП более технологична, и, в общем случае, даёт большую выходную мощность.
На рис. 2 представлены фотографии СМ на основе полутороидальных концентраторов с D2 = 0,1 м; 0,2 м и 0,8 м и приёмниками излучения, соответственно, 0,05 м; 0,1 м и 0,4 м.
В СМ D2 = 0,1 м зеркальный отражатель выполнен штамповкой из листа полированного алюминия, приёмником излучения является У псевдоквадратного ФП 100х100, размер приёмника 0,05х0,05м. В СМ D2 = 0,2м отражатель выполнен из стали и установлен один ФП круглой формы 0 100мм или псевдоквадратной 100х100. В СМ D2 = 0,8м отражатель выполнен штамповкой из алюминиевого листа и покрыт внутри отражающим покрытием. В качестве отражающего покрытия была использована зеркальная плёнка фирмы «Kodac» (Япония) с коэффициентом отражения - 0,98. Приёмник излучения - вадратный, размером 400х400х8 мм3, состоящий из 16 ФП 100х100 (0100). Круглый приемник излучения 0 400х8 мм2, состоит из 14 ФП, размером 100х100 мм и 12 ФП фигурной формы двух типов,
Приёмники излучения выполнены из изготовленных в ВИЭСХе планарных ФП с двухсторонней чувствительностью. ПИ с D1=0,4м выполнены в лаборатории солнечных фотоэлектрических модулей под руководством Потапова В.Н. Зеркальные отражатели выполнены совместно с Ерховым М.В. на ОНО АОМЗ ВИЭСХ.
Электрические параметры солнечных модулей определены расчётным путём по данным испытаний в условиях естественного солнечного облучения.
Рис. 2. Солнечные модули на основе полутороидальных концетраторов с внутренним диаметром а) 0,8 м; б) 0,1 м; в) 0,2 м
На рис. 3 показаны схемы размещения и соединения ФП 100x100 в приёмнике излучения квадратной и круглой формы (тах заполнение) для СМ с полутороидальным концентратором, Б2=0,8 м, вольтамперные характеристики (ВАХ) квадратных приемников излучения и СМ на их основе. Графики подтверждают теоретические выводы.
На рис.4 приведены ВАХ внутренней и внешней рабочих поверхностей для СМ с Б2=0,8 м и приемником излучения квадратной формы с последовательным и последовательно-параллельным (рис. 3, схемы 1, 2) соединением ФП. На рис. 5 - вольтамперные характеристики СМ с полу-тороидальным концентратором при разном внутреннем диаметре Б2 концентратора.
Зеркальный концентратор больших размеров возможно изготавливать из стеклянных или металлических зеркальных фацет. В качестве приемника излучения могут быть использованы также металлические абсорберы с просветляющим покрытием.
Предложенные нами конструктивные решения на основе разработанных солнечных модулей позволяют расширить область применения ФП, решая одновременно задачи энергообеспечения, эстетические и экологические задачи - создать целую серию различных устройств автономных источников энергии для садово-парковой архитектуры, ландшафтного дизайна и т. д.
Достоинством предложенного нами солнечного модуля является коэффициент концентрации 3-4, увеличение эффективного диаметра ФП до 200^400 мм и использование как прямого, так и рассеянного солнечного излучения в пределах апертурного угла 180°, что делает его очень привлекательным для потребителя источником электроэнергии.
Рис. 3. Схемы размещения и соединения ФП в приемнике излучения СМ с й2=0,8м: 1 - последовательное соединение; 2 - последовательно-параллельное и ВАХ приемников излучения 1 и 2 (линии 1; 2) и СМ на их основе (линии 1'; 2'). Е=1 кВт/м2; Т=25°С
Рис. 4. Вольтамперная характеристика внутренней ( ) и внешней ( ) рабочих поверхностей СМ 0,8м: 1 - последовательное соединение ФП; 2 - последовательно-параллельное. Е=1 кВт/м2; Т=25°С
Рис. 5. Вольтамперные характеристики СМ с полутороидальным концентратором при разном внутреннем диаметре концентратора. Е=1 кВт/м2; Т=25°С
Список литера туры
1. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005 - 264 с.
2. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентрирующие системы для солнечных электростанций // Теплоэнергетика, 1999, № 2. - С. 10-15.
3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энегроатомиздат, 1990. - 391 с.
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.