ФОТОЭЛЕМЕНТЫ. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ
PHOTOELECTRIC CELL. PHOTOVOLTAIC EFFECT IN SEMICONDUCTOR STRUCTURES. PHOTOELECTRIC MODULES
Статья поступила в редакцию 16.01.15. Ред. рег. № 2170
The article has entered in publishing office 16.01.15. Ed. reg. No. 2170
УДК 621.383
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ С АСИММЕТРИЧНЫМ ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ И ФОТОПРИЕМНИКОМ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В.Л. Майоров, Л.Д. Сагинов, Д. С. Стребкое
Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства Россия 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2 тел.: (499)171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.10-11.002 Заключение совета рецензентов: 18.02.15 Заключение совета экспертов: 16.03.15 Принято к публикации: 07.04.15
Разработка и создание теплофотоэлектрических модулей в настоящее время - одно из важнейших направлений развития солнечной энергетики. Целью этих работ является повышение эффективности преобразования солнечной энергии за счёт снижения потерь поступающей солнечной энергии и, в конечном счёте, снижение себестоимости получаемой энергии. В работе рассмотрены новые теплофотоэлектрические модули, включающие фотоприемники и концентраторы, обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую. Проведено математическое моделирование для создания алгоритма расчёта конструкции теплофотоэлектрического модуля с заданными энергетическими параметрами с применением законов геометрической оптики, фотоэнергетики, а также тепло- и массообмена. При использовании подобных модулей, в основе которых находится параболоцилиндрический концентратор и фотоприёмник с системой протока теплоносителя, возможно создание когенерационных установок для выработки электричества и тепла. Разработанные по такой методике образцы модулей исследуются на стендах и испытываются в натурных условиях. Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и площадью миделя 66х70 см2, с линейчатым фотоприёмником концентрированного излучения на базе матричных фотопреобразователей площадью 6х68 см2 с системой протока теплоносителя обеспечивает электрическую мощность более 27 Вт. Расчёт оптического КПД даёт значение 0,64, что для данной конструкции концентра-торного модуля не является пределом; тем не менее сравнительная оценка количества фотоэлектрической энергии, поступающей от данного модуля и стандартной планарной солнечной батареи, даёт прирост на уровне 26 %. При увеличении же оптического КПД до 80 %, что вполне реально при имеющихся технологических запасах, этот прирост возрастает до 50 % и выше.
Ключевые слова: асимметричный параболоцилиндрический концентратор, солнечное излучение, линейчатый приёмник концентрированного излучения, матричный солнечный элемент (МСЭ), фотоэлектрическая вольт-амперная характеристика (ВАХ), оптический КПД концентраторного модуля, теплофотоэлектрический фотоприёмник.
PHOTOVOLTAIC FEATURES OF PV-T MODULE WITH ASYMMETRIC PARABOLIC-CYLINDRIC CONCENTRATOR AND PHOTORECEIVER ON THE BASIS OF MATRIX SOLAR CELLS
V.A. Majorov, L.D. Saginov, D.S. Strebkov
The All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1-st Veshnyakovsky proezd, Moscow, 109456 Russia ph.: (499)171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru
Referred 18 February 2015 Received in revised form 16 March 2015 Accepted 07 April 2015
Design and development of photovoltaic-thermal (PV-T) modules is currently one of the important directions of solar energy application. These projects are aimed at increasing the effectiveness of solar energy conversion through combining electric and thermal energy generation in one device by decreasing solar energy losses and consequently decreasing energy generation costs. The paper discusses the new PV-T modules, including photoreceiver and solar illumination concentrator which provides efficient conversion of solar energy into heat and electricity. The mathematical modeling is used to create an algorithm for calculating of PV-T module design with the specified energy parameters. The laws of geometrical optics, photovoltaics, as well as heat and mass transfer are used. Such modules, based on a symmetrical parabolic-cylindrical concentrator and a photoreceiver with a coolant system flow may serve as a cogeneration installation for electricity and heat generation. Developed solar prototypes were investigated at testing ground and in field conditions with sun illumination. Solar module with asymmetric parabolic-cylindric concentrator with the midsection area 66x70 cm2 and concentrated radiation photoreceiver on the basis of 6x68 cm2 area matrix solar cells, with the flow coolant system provides 27 electrical powerwatts. The calculation of optic efficiency results in 0,64, which is not the limit for this concentrator module construction; and the comparison of photoelectric energy received from this module and a standard planar solar battery with the same area and equal effectiveness of photoconverters during the period between winter and summer solstice gives an increase of 26%. Increasing the optic efficiency up to 80%, which is realistic at current technologic reserves, this increase can reach 50%.
м, Sxys, - С -
'и1
с О
Keywords: asymmetric parabolic-cylindric concentrator, solar radiation, linear photoreceiver of concentrated radiation, matrix solar cell (MSC), PV current-voltage diagram, optical efficiency of concentrator module, PV-T photoreceiver.
Майоров Владимир
Александрович Vladimir A. Majorov
Сведения об авторе: канд. техн. наук, заведующий лабораторией солнечных концен-траторных систем и нетрадиционных источников энергии Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства.
Образование: факультет автоматики и радиоэлектроники Всесоюзного заочного политехнического института (1979), Московский физико-технический институт (1985).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, гелиотехника, теплофизика, теплотехника.
Публикации: 87, из них 15 свидетельств на изобретения СССР и патентов РФ.
- РИНЦ: 33, 48 цитирований, индекс Хир-ша 1, SPIN 1183-0275;
- Scopus: 4 публикации, 1 цитирование.
Information about the author: PhD (engineering), the Head of the Laboratory of Solar Concentrator Systems and Unconventional Energy Sources of The All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture
Education: the Automatics and Radioelectronics department of the All-Union Correspondence Polytechnic Institute (1979), Moscow Physical-Technical Institute (1985)
Research area: renewable energy sources, heliotechnics, heating physics, heating engineering.
Publications: 87, including 15 patents;
- Russian Scientific Citation Index:
33 publications, 48 citations, h-index 1, SPIN 1677-3738.
- Scopus: 4 publications, 1 citation.
-О
N
Ca+иновЛеонид
Дмитриевич Leonid D. Saginov
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, заведующий отделом возобновляемых источников энергии Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства. Почетный машиностроитель (2006 г.)
Образование: факультет физической и квантовой электроники Московского физико-технического института (1973).
Область научных интересов: спектроскопия и фотоэлектрические явления в полупроводниках, фотопреобразователи и фотоэнергетика, фотоприемники инфракрасного диапазона спектра, тепловидение.
Публикации: 132, из них 14 свидетельств на изобретения СССР и патентов РФ.
- РИНЦ: 63 публикации, 158 цитирований, индекс Хирша 6, средневзвешенный импакт-фактор журналов, в которых опубликованы работы 0,263; SPIN 1677-3738;
- Scopus: 22 публикации, 18 цитирований, индекс Хирша 3.
Information about the author: PhD
(physics and mathematics), the Head of Renewable Energy Sources department of The All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture.
Education: Moscow Physical-Technical Institute (1973).
Research area: spectroscopy and photoelectric phenomena in
semiconductors, PV cells and modules, infrared photodetectors, thermovision.
Publications: 132, including 14 patents.
- Russian Scientific Citation Index: 63 publications, 158 citations, h-index 6, average impact factor of the journals where articles were published 0,263; SPIN 16773738;
- Scopus: 22 publications, 18 citations, h-index 3.
м, ax/A - С -
'и1
Стребков Дмитрий
Семенович Dmitry S. Strebkov
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, директор Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) с 1987 г. по настоящее время; заведующий кафедрой МГАУ и ЮНЕСКО, член-корреспондент ВАСХНИЛ, РАСХН (1991); академик РАСХН (1997), академик РАН (2013). Заслуженный деятель науки РФ (2008); председатель Российской Секции Международного общества по солнечной энергии с 1992 года; заместитель председателя Российского комитета по использованию возобновляемых источников энергии с 2002 года.
Руководитель рабочей группы Европейского бюро ЮНЕСКО по образованию в области солнечной энергетики.
Образование: факультет электрификации Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства (1959) и вечернее отделение Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по специальности «Математика» (1967).
Область научных интересов: исследования и разработки в области электрификации сельскохозяйственных территорий и производств; возобновляемая энергетика.
Публикации: более 1 400 из них более 450 авторских свидетельств на изобретения СССР и патенты РФ, в том числе 60 зарубежных.
- РИНЦ: 441 публикация, 1 184 цитирования, индекс Хирша 10, SPIN2864-5630;
- Scopus: 63 публикации, 42 цитирования, индекс Хирша 3.
Information about the author: DSc
(engineering), professor, director of The All-Russia Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH). In 1985 he received the academic status of professor at the All-Union Correspon
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.