Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор конструкций и характеристик солнечных энергетических установок с концентраторами 14
1.1 Солнечные энергетические установки 14
1.2 Обзор концентраторов солнечной энергии
1.2.1 Отражающие концентраторы 16
1.2.2 Фацетные концентраторы 16
1.2.3 Параболоидные концентраторы
1.2.3.1 Методы изготовления параболоидных концентраторов 20
1.2.3.2 Электростанции на основе параболоидных концентраторов
1.3 Термодинамические преобразователи солнечной энергии 30
1.4 Системы охлаждения фотоприёмников...: 34
1.5 Системы слежения за Солнцем 36
Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование солнечного модуля с концентратором параболоидного типа и различными типами приёмников излучения 41
2.1 Методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа с различными типами
приёмников солнечного излучения 41
2.1.1 Теплофотоэлектрический приёмник в составе когенерационного модуля 41
2.1.2 Приёмник - двигатель Стерлинга 48
2.1.3 Фотоэлектрический приёмник, совмещённый с концентратором-радиатором 51
2.2 Методика расчёта теплового режима теплофотоэлектрического приёмника
когенерационной установки 54
2.2.1 Аналитический тепловой расчёт фотоприёмника 54
2.2.2 Методика теплового расчёта фотоприёмника в программной среде Ansys 57
2.2.3 Расчёт тепловых режимов радиаторов фотоприёмника при различных конструктивных параметрах 58
Выводы по главе 2 62
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование теплофотоэлектрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа 64
3.1 Разработка технологии изготовления концентратора параболоидного типа 64
3.2 Изготовление радиатора фотоэлектрического приёмника з
3.3 Исследование теплофотоэлектрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа 75
3.3.1 Обобщённые характеристики планарных и матричных солнечных модулей при различных условиях освещения 77
3.3.2 Исследование распределения освещённости по поверхности теплофотоэлектрического приёмника 83
3.3.3 Исследование тепловых характеристик работы теплофотоэлектрического модуля 84
3.4 Исследование солнечного модуля с двигателем Стирлинга и различными
концентраторами солнечного излучения 86
3.4.1 Исследование теплового режима работы двигателя Стирлинга с воздушным и водяным охлаждениями совместно с параболоидным концентратором производства ОАО АлМет 86
3.4.2 Исследование тепловых режимов работы двигателя Стирлинга с концентраторами параболоидного типа и водяным охлаждением в натурных условиях 89
3.5 Сравнение выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными
преобразователями солнечной энергии 95
Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4. Перспективные области применения и технико экономическое обоснование использования солнечных теплофотоэлектрических модулей с концентраторами параболоидного
ТИПА 98
4.1 Исследование областей применения солнечных энергетических установок комбинированного типа 98
4.2 Технико-экономическое обоснование использования теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения автономных потребителей
4.2.1 Оценка стоимостных характеристик теплофотоэлектрического модуля 101
4.2.2 Оценка стоимости установки (поле модулей в виде сот) из теплофотоэлектрических модулей на раме со следящей системой за Солнцем 103
4.2.3 Оценка стоимости установки (поле модулей в виде сот) из фотоэлектрических модулей на раме со следящей системой за Солнцем 105
4.2.4 Оценка стоимости установки с большим концентратором, площадь которого равна площади рамы следящей системы (20 м2) 106
4.2.5 Оценка стоимости установки с концентратором для фотоэлектрической части приёмника 107
4.2.6 Влияние концентраторов на формирование стоимости солнечной фотоэлектрической установки 109
4.3 Энергетическая окупаемость установки 110
4.4 Оценка экономического эффекта от применения установки с концентратором 111
4.5 Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с
концентраторами 119
Выводы по главе 4 120
Заключение 121
Список литературы
- Методы изготовления параболоидных концентраторов
- Теплофотоэлектрический приёмник в составе когенерационного модуля
- Исследование теплофотоэлектрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа
- Технико-экономическое обоснование использования теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения автономных потребителей
Введение к работе
В основе практически всех видов возобновляемых источников энергии лежит энергия излучения Солнца. Солнечная энергия (СЭ) - экологически чистый возобновляемый источник энергии, роль которого в современном мире легко оценить. Большая часть производимой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ, сопровождается химическим загрязнением окружающей среды, истощением природных ресурсов и приводит к "тепловому загрязнению Земли".
Актуальность работы.
Существенная часть территории России является малозаселённой, передача электроэнергии по ЛЭП в эти районы является нерентабельной, поэтому 70% территории не имеет централизованного электроснабжения. Для таких регионов (Крайний Север, восточные регионы и горная местность) использование собственных источников энергии является экономически целесообразным. Преобразование СЭ в теплоту и электричество представляет большой интерес для удаленных потребителей и владельцев солнечных электростанций.
Одним из методов преобразования СЭ в электрическую является метод прямого преобразования с помощью планарных и матричных солнечных модулей (ПСМ и МСМ). Это преобразование подразделяется на два направления - фотоэлектрическое преобразование неконцентрированного и концентрированного солнечного излучения (СИ). Существует два способа снижения стоимости солнечных фотоэлектрических станций: улучшение технико- экономических характеристик стационарных ПСМ и создание станций с концентраторами. Применение концентрирующих систем позволяет уменьшить расход полупроводникового материала, а использование систем слежения за Солнцем является одним из способов повышения эффективности установок. В настоящее время известны зеркальные, призменные концентраторы и линзы Френеля. К зеркальным относятся концентраторы с образующими в форме кривых второго порядка, окружности, параболы, гиперболы, эллипса, образуя сферические, параболоидные, параболоторические, гиперболоидные, а также цилиндрические и плоские конические поверхности. Концентраторы параболоидного типа хорошо зарекомендовали себя как в установках с тепловыми приёмниками, так и с фотоэлектрическими приёмниками (МСМ). Основными особенностями МСМ, разработанных в ГНУ ВИЭСХ, является возможность их использования при высоких концентрациях СИ, при котором наблюдается также увеличение КПД. Использование же концентратора параболоидного типа позволит создать фокальную область на фотоприёмнике с необходимым распределением освещённости. Поэтому разработка и исследование комбинированного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа для одновременного производства электрической и тепловой энергии является актуальной.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка, изготовление и испытание в натурных условиях солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентраторами параболоидного типа и различными приёмниками солнечного излучения. Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Рассмотрение состояния современного использования концентрированного СИ в солнечных энергетических установках с различными типами фотоприёмников;
-
Создание методики расчёта и проведение расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхности различных фотоприёмников.
-
Разработка технологии и способа изготовления концентратора СИ параболоидного типа с необходимым распределением освещённости в фокальной области, а также расчёт геометрии фацет этих концентраторов и предложение технологии их изготовления; на основании расчётных данных изготовление и исследование экспериментальных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с теплофотоэлектрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стирлинга (ДС);
-
Создание алгоритма и методики расчёта теплового режима работы водяного радиатора МСМ в программном комплексе Ansys и моделирования тепловых режимов работы фотоприёмника когенерационного солнечного модуля; обеспечение нанесения тонкого теплопроводного слоя диэлектрика (изолятора) между радиатором и МСМ;
-
Разработка методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях; исследование экспериментальных вольт-амперных характеристик МСМ и ПСМ при концентрированном СИ с воздушным и водяным охлаждениями, исследование экспериментальных тепловых характеристик солнечного теплофотоэлектрического модуля и солнечного модуля с ДС; сравнительный анализ выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными преобразователями СЭ;
-
Предложение перспективных областей применения теплофотоэлектрических установок и технико-экономическое обоснование использования разработанных солнечных теплофотоэлектрических модулей для теплоэлектроснабжения.
Научная новизна работы состоит в:
-
-
Разработке методики расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхностям различных фотоприёмников;
-
Создании методики расчёта фацет концентратора параболоидного типа и способе его изготовления;
-
Разработке методики моделирования теплового режима работы радиатора фотоэлектрического приёмника в программном комплексе Ansys;
-
Применении способа нанесения тонкого теплопроводящего диффузионного слоя диэлектрика на поверхности радиатора для фотоэлектрических элементов методом микродугового оксидирования;
-
Изготовлении и исследовании экспериментальных образцов солнечных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с цилиндрическим теплофотоэлектрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стирлинга;
-
Создании методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях.
Практическая ценность работы.
Материалы диссертационной работы, представленные ниже, используются в разработках солнечных энергетических установок на базе концентраторов параболоидного типа с матричными и планарными солнечными модулями, а также тепловыми фотоприёмниками.
-
-
-
Методика и алгоритм расчёта профиля концентратора параболоидного типа с заданной освещённостью в фокальной области для использования с различными фотоприёмниками позволяют рассчитывать распределение концентрированного СИ по поверхности фотоприёмника в зависимости от свойств самого приёмника.
-
Методика и алгоритм расчёта фацет для изготовления концентратора параболоидного типа с заданным профилем и размерами позволяют рассчитывать и изготавливать фацеты для его изготовления с рассчитанным распределением концентрированной освещённости и заданными размерами.
-
Методика и алгоритм расчёта в программном комплексе Ansys теплового состояния водяного радиатора фотоэлектрического приёмника солнечного концентраторного модуля позволяет рассчитывать и визуализировать тепловое состояние, течения, распределение температур и т.д. любого приёмника СИ.
Разработанный и изготовленный макет с концентратором параболоидного типа и теплофоэлектрическим приёмником с МСМ и водяным радиатором позволяет получать электричество, пригодное для дальнейшего использования в инверторах и аккумуляторных батареях. Наряду с электричеством потребитель получает тёплую воду с температурой 25 - 60 С и более в зависимости от расхода теплоносителя. Разработанный и изготовленный макет с концентратором параболоидного типа и тепловым приёмником в виде горячего цилиндра двигателя Стирлинга УДС - 1 позволяет получать механическую энергию и преобразовывать её в электрическую. Наряду с механической или электроэнергией потребитель получает тёплую воду с температурой 25 - 45 С в зависимости от расхода теплоносителя. Рассчитанные концентраторы модулей позволяют получать требуемое распределение концентрированного СИ по поверхности фотоприёмников.
Представленные выше методики и изготовленные макеты внедрены в учебный процесс и производственную практику различных организаций, что подтверждено соответствующими актами о внедрениях: ФГБОУ "Астраханский государственный университет" направление подготовки "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" по дисциплине "Альтернативная энергетика", г. Астрахань; ФГУП экспериментальный завод "Александровский" Россельхозакадемии, г. Александров; Промышленное предприятие ОАО "АлМет" г. Ульяновск, специализирующееся на производстве спутниковых антенн; Предприятие ООО "Энерготехнологии" г. Краснодар, специализирующееся на производстве солнечных модулей и коллекторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа с различными фотоприёмниками позволяет рассчитывать конструктивные параметры разрабатываемого солнечного модуля с заданным профилем распределения освещённости по поверхности фотоприёмника сложной формы;
-
Расчёт фацет для изготовления концентратора параболоидного типа, разработка технологии его изготовления и конструкции модулей с концентраторами параболоидного типа с цилиндрическим теплофотоэлектрическим приёмником с матричными и планарными солнечными модулями и тепловым приёмником в виде двигателя Стирлинга позволяют изготавливать разработанные солнечные модули в лабораторных условиях;
-
Методика моделирования теплового режима радиатора фотоэлектрического приёмника концентраторного солнечного модуля позволяет оценивать, прогнозировать и визуализировать тепловое состояние фотоприёмников солнечного излучения;
-
Разработанная методика проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях позволяет исследовать тепловые и фотоэлектрические характеристики модулей с концентраторами параболоидного типа при воздушном и водяном охлаждениях фотоприёмников;
-
Предложены перспективные области применения теплофотоэлектрических установок с концентраторами параболоидного типа и технико-экономическое обоснование использования разработанных солнечных теплофотоэлектрических модулей для теплоэлектроснабжения.
Достоверность научных результатов, теоретических исследований и основных выводов подтверждена совпадением аналитических данных с данными испытаний солнечных теплофотоэлектрических модулей, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.
Апробация работы.
Выступления с результатами исследований по теме диссертации на заседаниях секций Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (2009 - 2013 г. г.), а также на конференциях, семинарах научных учреждений и участие в выставках:
на 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ГНУ ВИЭСХ, 18 - 19 мая 2010 г. и 16 мая 2012 г.; на конференции "Электрификация, энергообеспечение, электромеханизация и автоматизация в сельском хозяйстве", 13 декабря 2011 г.
на Международной научной сессии "Инновационные проекты в области агроинженерии" и научно-практической конференции "Инновационные и энергосберегающие технологии в АПК", МГАУ им. В.П.Горячкина, 6 октября 2011 г. и 27 марта 2012 г.
на семинаре в Крокус Экспо "Энергетика Будущего", конференции "Малая и возобновляемая энергетика, энергосберегающие технологии и методы передачи электроэнергии", 18 ноября 2011 г.
на международной конференции в рамках стажировки International Programme on Solar Energy Technologies and Applications at the Solar Energy Centre, Индия, г. Дели, 1 декабря 2011 г.
на IX-й Международной ежегодной конференции "Возобновляемая и малая энергетика - 2012", Конгресс-Центр Экспоцентра, 14 июня 2012 г.
на Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве", РУП "Научно - практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства", Республика Беларусь, г. Минск, 10 - 11 октября 2012 г.
на Российской агропромышленной выставке "Золотая осень", Москва, ВВЦ, 11 - 14 октября 2012 г.
на Восьмой Всероссийской научной молодёжной школе с международным участием "Возобновляемые источники энергии", МГУ им. М.В. Ломоносова, 20 - 23 ноября 2012 г., где получен диплом победителя конкурса работ молодых учёных.
на 6-м Международном форуме по интеллектуальной собственности Expopriority 2012, ЦВК "Экспоцентр", Москва, 28 - 30 ноября, 2012 г.
на выставке Всероссийская марка (Ш тысячелетие). Знак качества XXI века. 28-я выставка "Национальная Слава" и конкурс. Продукция машиностроительных, приборостроительных предприятий, Москва, 16 - 19 декабря 2012 г.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ в центральной печати, из которых 9 в рекомендованных ВАК изданиях и 3 по материалам конференций, вынесено 1 решение о выдаче патента.
Структура и объём диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения; изложена на 172 страницах машинописного текста (в том числе четыре приложения на 35 страницах), иллюстрированных 142 рисунками и 28 таблицами; список литературы включает 153 наименования (в том числе 30 на иностранных языках).
Методы изготовления параболоидных концентраторов
В работе [116] рассмотрен аналитический метод расчёта концентратора солнечной энергии в гелиоустановке. В ней развиты общие методы получения соответствующих интегральных выражений, определяющих поле концентраций для широкого класса гелиотехнических задач с одновременным учётом неоднородности источника, неровностей отражателя, смещения приёмника относительно фокуса для произвольной формы поверхности приёмника.
Для упрощения интегральных и дифференциальных выражений, описывающих всевозможные характеристики, влияющие на излучение, распределение, преломление и формирование фокального пятна, предлагается упрощённая методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа в зависимости от геометрических размеров и необходимого распределения освещённости на фотоприёмнике [117]. Методика базируется на подборе соответствующих параболических профилей концентратора, которые удовлетворили бы конкретным граничным условиям, таким, как распределение освещённости, размер фокальной области, размеры фотоприёмника, необходимая мощность и т.д.. Методика носит прикладной характер и позволяет рассчитывать профиль концентраторов применительно к различным фотоприёмникам с конкретными размерами и требованиями к освещению фотоприёмника и его распределению [118]. С использованием этой методики разработан составной концентратор параболоидного типа солнечного теплофотоэлектрического модуля, который обеспечивает равномерную освещённость в области фокального пятна на цилиндрическом фотоэлектрическом приёмнике и работу модуля при средних концентрациях (5-10 крат); получение на одном солнечном модуле технически приемлемого напряжения (12 В и выше); повышение КПД преобразования, а также догрев проточной воды с помощью второго концентратора для тепловой части фотоприёмника [119].
Теплофотоэлектрический модуль (рисунок 2.1) состоит из концентратора параболоидного типа 1, который увеличивает концентрацию СИ в фокальной области на цилиндрической фотоэлектрической части 3 поверхности фотоэлектрического модуля 2 и в фокальной области на поверхности тепловой части 4 в виде усеченного конуса.
Солнечное излучение, попадая на поверхность концентратора 1, отражается под углами наклона, ориентированными в своих зонах (а - b, b - с, с - d) таким образом, что обеспечивается достаточно равномерная концентрация освещённости: - на фотоэлектрическом приёмнике 3 модуля 2, выполненного в виде цилиндра радиусом г0 из скоммутированных МСМ высотой ha. Фотоприёмник соединён с устройством охлаждения 5; - на тепловом приёмнике 4 модуля 2, выполненного в виде усечённого конуса с максимальным радиусом г о и минимальным радиусом гво боковой поверхности для подогрева проточной воды. На примере составного двойного концентратора ниже представлен алгоритм расчёта профиля концентратора (таблица 2.1). точке координатХ&Уд и уровнем/ . Профиль отражающей поверхности зон а - Ъ, Ъ - с концентратора X (У) определяется системой уравнений, соответствующей условию распределения освещённости на всей поверхности фотоэлектрической части теплофотоэлектрического приёмника: а„ - угол между уровнем ординаты в точке координат Х„,У„ и отражённым от поверхности параболы лучом, приходящим в фокальную область шириной h0, расположенной на радиусе г0 фотоприёмника в интервалах Аа = a //V, где п выбирается из ряда целых чисел п = 1, 2, 3 ... N; а0 - угол между уровнем ординаты Yb и лучом, отражённым от рабочей поверхности в точке координат Хь,Уь и приходящим в нижнюю часть фокальной области цилиндрического фотоприёмника шириной h0; параметр h изменяется в пределах от 0 до h0; значения параметров f0, fi, к выбираются на основании граничных условий в соответствии с алгоритмом расчёта профиля концентратора и распределением концентрации лучей на фотоприёмнике. Геометрическая концентрация освещённости фотоэлектрического приёмника К„ в интервалах радиуса концентратора AR„ = Rn+i - Rn АХ„ = Х„ -X„.i равна: K„ = (Rn+I2-Rn2)/Ahrb h„ = (h0-n)/N, Ahn = hn+l-hn. (2.2)
Профиль отражающей поверхности зоны с - d концентратора X (У) определяется системой уравнений, соответствующей условию распределения освещённости на всей поверхности тепловой части фотоприёмника, выполненного в виде усечённого конуса: Хс = 2УС (1/cosBegBJ, tgBe = (Yc-HJ/(Rc-reo), fe = Yc-Xc tg В re=Xc- Rc, d = h /sin (po, d „ = d n/N, (2.3) Xen = 2fe (tg yen + 1/cos yeJ, tg (p0 = h/(r0 - r\0), где Вв - угол между уровнем ординаты в точке координат ХС,УС и отражённым от поверхности параболы с фокусным расстоянием fe лучом, приходящим в фокальную область усечённого конуса радиусом гв фотоприёмника;
Уел - угол между уровнем ординаты в точке координат Хв,Ув в зоне с - d и отражённым от поверхности параболы с фокусным расстоянием fe лучом, приходящим в фокальную область усечённого конуса шириной d фотоприёмника в интервалах Ad = d /N, где п выбирается из ряда целых чисел На основании приведённых формул произведён расчет профиля отражающей поверхности концентратора - график зависимости X (У) (рисунок 2.2а) и графика распределения концентрации освещенности от зон а - Ъ, Ь - с на боковую поверхность цилиндрического фотоэлектрического приёмника от ширины фокальной области (от 0 до h0) в относительных единицах (от 0 до 1) (рисунок 2.26).
Теплофотоэлектрический приёмник в составе когенерационного модуля
После изготовления плотной и твёрдой матрицы для выкройки возможно изготовление уже самих лепестков из тонкого листа алюминия Alanod со светоотражающим покрытием. Изготовлены три концентратора с различным количеством лепестков и толщиной используемого листа алюминия. На рисунке 3.8 представлен пример выкройки лепестка концентратора, состоящего из 10 лепестков и толщиной листа алюминия 0,3 мм, используемый для концентратора с двигателем Стерлинга.
Пример выкройки лепестка, изготовленного из светоотражающего листа алюминия толщиной 0,3 мм Изготовление лепестков проводилось с приемлемой точностью по гладкому и точно вырезанному твёрдому шаблону. При промышленном производстве целесообразнее использовать станок для лазерной резки.
Сборка концентратора параболоидного типа из изготовленных лепестков. Лепестки соединялись между собой двумя слоями прозрачного водостойкого полиуретанового клея и геля (рисунок 3.9).
Конструкция обладала приемлемой жёсткостью, но для увеличения жёсткости во всех направлениях, изготовлены кольца-рёбра из металлопластиковых труб для окантовки и закрепления краёв концентратора. Для придания им правильной круглой формы потребовалась матрица-направляющая, изготовленная из стальной трубы (рисунок 3.10). Для соединения с концентратором в трубе сделан паз, в который запрессовывается край концентратора и жёстко склеивается с металлопластиковой трубой.
После проведения всех операций концентратор покрашен и снята защитная плёнка с отражающей поверхности [126] (рисунок 3.11) Рисунок 3.11 - Концентратор параболоидного типа, готовый к исследованиям Таким методом изготовлено три концентратора (рисунок 3.12): Диаметр 0,6 м для фотоэлектрического модуля; диметр 0,5 м в качестве основного для горячего цилиндра двигателя Стирлинга; диаметр 1 м как догревающий концентратор для теплофотоэлектрического модуля с МСМ и для модуля с двигателем Стирлинга.
Изготовление радиатора фотоэлектрического приёмника Исходя из конструкции концентратора параболоидного типа и его фокальной области, форму фотоприёмника следует изготавливать в виде цилиндра (рисунок 3.13а и б). Для обеспечения надёжной фиксации плоских фотоэлектрических преобразователей на приёмнике цилиндрической формы, приёмник имеет плоские грани (рисунок З.ІЗв).
Как видно из рисунка 3.1 Зв, при толщине стенки около 1 мм и длине грани около 20 мм количество граней составляет 16 штук, т. е. возможно использовать 16 элементов - 4 группы по 4 элемента для сравнения их характеристик между собой при концентрированном СИ.
После фрезерования 16 граней на поверхности радиатора необходимо создание электроизоляционного теплопроводящего слоя на поверхности (рисунок 3.14). Для создания такого слоя была использована технология микродугового оксидирования, рассмотренная в первой главе (рисунок 3.15).
Процесс микродугового оксидирования (а и б) и примеры нанесённого покрытия(в) Фотоприёмник выполнен из 4 групп различных типов СМ (см. приложение В). Коммутация планарных СМ происходила последовательно, а коммутация матричных СМ -параллельно (рисунок 3.16).
Многопереходные матричные СМ (МСМ) с вертикальными р-п переходами. До настоящего времени считалось, что р-п переход, в электрическом поле которого происходит разделение генерированных СИ неосновных носителей заряда, играет ключевую роль и его площадь должна соответствовать площади СМ. Однако у р-п перехода есть и отрицательные свойства. В его области имеются рекомбинационные потери. Через р-п переход протекает темновой ток насыщения, связанный с тепловой генерацией носителей заряда, что приводит к снижению фото-э.д.с. Легированный слой над плоскостью р-п перехода имеет большое сопротивление растекания, что увеличивает омические потери, особенно при преобразовании концентрированного СИ. Легированный слой поглощает коротковолновую часть СИ вследствие потерь на свободных носителях заряда, а его вклад в фототок очень мал из-за рекомбинации носителей заряда на дефектах кристаллической структуры и примесных центрах в сильно легированном полупроводнике. Предложено разделить пространственно освещаемые поверхности СМ на области генерации носителей заряда и области с р-п переходом, ответственные за разделение и собирание носителей. При этом площадь легированного слоя, р-п перехода и р-р+ перехода на освещаемых поверхностях снижена более чем в 50 раз, а 99 % площади поверхности отведено для генерации электронно-дырочных пар при прямом взаимодействии квантов СИ с базовой областью СМ.
Технология изготовления МСМ адаптирована к условиям промышленного производства, в ней не используются такие трудоёмкие операции, как многостадийная диффузия, фотолитография, сеткография, вакуумная металлизация и т.д. Удалось исключить применение серебра для изготовления контактов. Разработка технологии и изготовление высокоэффективных многопереходных матричных солнечных модулей проводились начальником экспериментально-технологичного участка солнечных элементов В.И. Поляковым.
Федеральная служба РФ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам выбрала из 42000 российских патентов 100 лучших, в число которых был включен патент на рассматриваемый МСМ третьего поколения и технологию его изготовления [127, 128]. На XI международном форуме "Высокие технологии XXI века" Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства награждён медалью за конкурсный проект "Фотоэлектрические кремниевые модули с повышенным КПД (24 %) для солнечных электростанций с концентраторами".
Из зарубежных авторов наиболее известными являются работы D.L. Sater [129], который разработал экспериментальные образцы МСМ с КПД 20 % при освещённости 2500 кВт/м .
Многопереходные МСМ представляют собой структуры, в которых р-n переходы электрически соединяются последовательно, а освещение осуществляется параллельно плоскости р-n переходов. МСМ площадью 1 см2 содержит 30 последовательно скоммутированных миниатюрных микроэлементов размерами 10 х 0,33 х 0,3 мм; рабочая площадь одного микроэлемента составляет 3,3 мм ; площадь легированных слоев и контактов на освещаемой поверхности МСМ не превышает 2,5 %. На рисунке 3.17 представлена вольт-амперная характеристика МСМ размерами 10 х 10 х 0,4 мм при интенсивности СИ 743 Вт/м2. КПД при натурных испытаниях на полигоне ГНУ ВИЭСХ без концентратора составил 16,2 %, рабочее напряжение 12,5 В, рабочий ток 0,96 мА, ток короткого замыкания, приведённый к пиковой освещённости 1 кВт/м2, равен 1,64 мА.
На рисунке 3.18а показан общий вид МСМ с размерами 10 х 60 х 0,4 мм, содержащий 25 микроэлементов. Общая ширина контактов всех солнечных фотоэлектрических микроэлементов на рабочей поверхности составила 150 мкм. На рисунке 3.186 представлены вольтамперные характеристики МСМ размером 10 х 60 х 0,4 мм с радиатором воздушного охлаждения при различной освещённости.
Исследование теплофотоэлектрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа
Стоимость 1 Вт электрической и тепловой мощности с учётом стоимости ССС наименьшая у установки с одним большим концентратором размером с ССС (20 м2) и с теплофотоэлектрическим приёмником - 116,5 руб. (3,9 $)/Вт и 10,4 руб. (0,35 $)/Вт соответственно. Если тепловая энергия не является необходимой для потребителя, то выгоднее использовать эту же систему, но без догревающей части, т. е. только фотоэлектрическую, тогда стоимость 1 Вт электрической мощности с учётом стоимости ССС составит 90,7 руб. (3 $)/Вт и без её учёта - 39,9 руб. (1,3 $)/Вт.
Таким образом, при использовании концентраторной теплофотоэлектрической солнечной установки следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния солнечного качества; наряду с электроэнергией потребитель получает и тепловую энергию, соответственно общая стоимость установленной мощности снижается за счёт суммирования этих составляющих; учитывается влияние косинусного эффекта, которому подвержены установки, не оснащённые системой слежения за Солнцем (повышение выработки на 30 % по сравнению с планарными модулями без слежения); при промышленном изготовлении разработанных теплофотоэлектрических модулей и использовании МСМ с КПД более 15 % стоимость установленной электрической мощности меньше стоимости установленной мощности планарных солнечных модулей.
Влияние концентраторов на формирование стоимости солнечной фотоэлектрической установки [144] Стоимость солнечных фотоэлектрических станций включает стоимости узлов [145,146]: ССФЭС = Ссэ + ССБ + С к + Ссо + Смк + Ссс, (4.13) где Ссэ - стоимость солнечных элементов; ССБ - сборка модулей с концентратором и приёмником излучения; Ск- стоимость концентраторов; Ссо - стоимость системы охлаждения, включая трубопроводы, насосы, теплообменники и т.п.; Смк - стоимость металлоконструкции, включающая каркас концентратора, опорно-поворотные устройства при следящих системах; Ссс - стоимость системы слежения, включающая датчики слежения, блоки автоматики.
я солнечных установок является её энергетическая окупаемость, показывающая срок, за который установка выработает энергию, затраченную на её изготовление. В процессе изготовления станции происходят затраты энергии на добычу полезных ископаемых; изготовление материала для создания установки; изготовление конструктивных частей установки; сборку узлов установки; транспортировку и монтаж установки.
Первые три этапа являются наиболее энергоёмкими. Для определения срока энергетической окупаемости установки определяются основные объекты энергетических затрат (таблица 4.9) [148]:
Технико-экономический эффект отражает полезность установки в стоимостном эквиваленте. В течение года установка, состоящая из 28 модулей, будет производить 1372 кВт-ч электрической и 16408 кВт-ч тепловой энергии в зависимости от региона, в котором она будет использоваться. Годовая экономия дизельного топлива определяется по формуле: Удт = W33 /1Гдг= 1372 (кВтч/год) / 9,3 (кВт-ч/л) = 148 (лплива.
Основным недостатком дизельного ге/год), (4.22) где WflT = 9,3 кВтч/л - выработка электроэнергии при сжигании 1 л дизельного то нератора (ДГ) является избыточная мощность, генерируемая в процессе работы, т.к. потребление электроэнергии часто меньше его номинальной мощности, что приводит к перерасходу топлива. Стоимость же электрической части дизеля сопоставима по цене со стоимостью электрической части солнечной установки, но расход дизельного топлива увеличивается более чем в 2,5 раза, поэтому принимается расход 370 л/год. Стоимость 370 л топлива составляет 11500 руб., однако эта сумма не учитывает амортизацию, обслуживание, транспортировку, хранение и потери топлива при эксплуатации установки в отдалённые районы. С учётом этих факторов стоимость возрастёт в 2 раза, и годовая экономия составит около 23000 руб.
Кроме производства электрической энергии солнечная установка производит и тепловую энергию. При производстве 16408 кВтч/год тепловой энергии происходит экономия дров, что актуально в местах с малым количеством древесины: гпдр = Wmer/куд = 16408/3,5 = 4688 кг, (4.23) где куд - удельная теплота сгорания древесины (3,5 кВтч/кг). С учетом потерь расход увеличится в 2 раза. При стоимости пеллет 8000 руб./т., ежегодная экономия составляет 75000 руб./год.
Рассчитан экономический эффект от применения установки для получения тёплой воды и электричества вместо дублирующих источников, таких как газ, дизельное топливо и электроэнергия [149]. Расчёты проводились для жилого сельского дома, в котором проживает семья из четырёх человек в Краснодарском крае. Годовое потребление тепловой энергии составит около 5000 кВт-ч/год [137].
Экономия затрат от использования теплофотоэлектрической установки при покрытии 50 % затрат традиционных источников энергии на горячее водоснабжение [150]: Э = 3,-32, (4.24) где Э - экономия затрат, руб.; Зі - затраты на горячее водоснабжение в базовом варианте (традиционный источник энергии), руб.; 32 - затраты на горячее водоснабжение в расчётном варианте (использование солнечной установки), руб.
Технико-экономическое обоснование использования теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения автономных потребителей
Натурные испытания любых приёмников солнечного излучения - один из способов исследования реальных энергетических параметров фотоэлектрического электрогенерирующего объекта в условиях воздействия на него естественных внешних климатических факторов. Основным из воздействующих факторов является интенсивность солнечного излучения; другие факторы: скорость и направление ветра, температура окружающего воздуха, температура, скорость потока и вид охлаждающего теплоносителя.
Цель натурных испытаний - измерить как максимально возможные величины параметров энергетической характеристики приёмника, так и суточный ход изменения этих параметров, обусловленный естественным изменением интенсивности излучения, температуры воздуха, скорости ветра, а также изменением высоты и азимутального угла положения Солнца на небосводе. Натурные испытания цилиндрического приёмника излучения в составе солнечного модуля с концентратором светового потока по ряду положений отличаются от испытаний планарных модулей.
Одним из отличий является применение отражателей светового потока специальной геометрической конфигурации параболоидного типа, которые концентрируют на поверхности приёмника только прямую составляющую солнечной радиации, тогда как планарные модули воспринимают и прямой, и рассеянный, и отражённый потоки солнечной лучистой энергии. Другой существенной особенностью солнечной установки с концентраторами параболоидного типа является существенное нагревание приёмника концентрированным световым потоком и необходимость охлаждения установленных на приёмнике солнечных модулей (СМ) до допустимых температур.
Другим отличием является возможная неравномерная освещённость поверхности фотоприёмника концентрированным световым потоком, что может неблагоприятно сказаться на работе СМ, тогда как естественное солнечное облучение обеспечивает равномерную освещённость всей поверхности приёмника. Эти особенности учтены при подготовке методики натурных испытаний.
Натурные исследования позволяют оценить предельные значения коэффициента преобразования солнечной энергии в электрическую и КПД электрогенерирующего объекта в целом. Тем самым, можно обосновать эффективность предложенного технического решения по размещению приёмника излучения в данной конструкции модуля.
Натурные испытания позволяют определить температурные характеристики на поверхности радиатора приёмника и на поверхности СМ при разных вариантах охлаждения и облучения.
Основные электрические и тепловые характеристики приёмников излучения на базе СМ: напряжение холостого хода (4 ); ток короткого замыкания (1КЗ); вольт-амперная характеристика (ВАХ) / = / (U); режим генерирования максимальной мощности Ропт = Uonm Ionm, определяемый по данным ВАХ; температура нагрева СМ; вид, объёмы и скорость прохождения охлаждающего агента для принудительного охлаждения СМ; температура охлаждающего теплоносителя на входе и на выходе из приёмника излучения; температура на поверхности радиатора фотоприёмника в различных его областях.
До установки фотоэлектрического приёмника в концентрированный световой поток измеряют его энергетические параметры при солнечном освещении, т.е. располагая вне зоны действия концентрированного светового потока перпендикулярно лучам естественного облучения в 4 - 6 положениях.
Перед проведением измерений энергетических параметров солнечного модуля в сборе необходимо определить распределение плотности концентрированного солнечного излучения по поверхности приёмника излучения. В качестве датчика освещённости используют единичный СМ площадью 1 см , работающий в режиме короткого замыкания и допускающий облучение световым потоком 25 - 30 крат и более. Величину тока короткого замыкания (ТКЗ) измеряют цифровым или магнитоэлектрическим прибором. Предварительно и сразу после измерений определяют величину ТКЗ датчика при расположении его перпендикулярно солнечным лучам вне области концентрированного светового потока. Шаг последовательного смещения датчика равен 1/2-1 ширины и высоты единичного СМ, из которых набраны исследуемые группы СМ, закреплённые на приёмнике излучения (шаг уточняется в процессе исследования). Площадь поля при оценке плотности освещённости должна быть не меньше площади исследуемого приёмника излучения по длине и по ширине. Критерии равномерности освещённости отдельных зон выбирают в процессе исследования.
Измерение всех электрических параметров приёмника должно проводиться при наличии облучения всех СМ на данной зоне приёмника и при стабильной солнечной радиации. В процессе каждого эксперимента величина интенсивности солнечного излучения должна изменяться в пределах не более 20 Вт/м . Для сопоставления результатов разных экспериментов
При исследовании приборами для измерения интенсивности и расчёта пиковых значений все величины параметров приводятся к стандартному уровню солнечного излучения 1000 Вт/м . прямого солнечного излучения являются: актинометр АТ-50 либо пиранометры М-115 (М-80), "ПЕЛЕНГ СФ-06" или "GSM/O-I10" со специальными цилиндрическими тубусами, исключающими попадание рассеянного или отражённого излучения на светочувствительную часть прибора.
Измерение параметров В АХ может быть проведено двумя способами: методом амперметра-вольтметра с регулированием нагрузки реостатами (например, типа РСП) соответствующей мощности (или с подключением специальных электронно-резисторных блоков-имитаторов нагрузки), либо с использованием только вольтметра и магазина тарированных сопротивлений с достаточной мощностью рассеивания выделяемой тепловой энергии, в качестве дискретно регулируемой нагрузки. Измерения начинают с определения величины Uxx и, постепенно снижая сопротивление нагрузки, доводят до режима короткого замыкания. Таким образом минимизируется влияние протекающего тока на дополнительный подогрев фотоприёмника, следствием которого может быть снижение величины КПД СМ.
Определение температуры нагрева СМ в приёмнике может быть выполнено либо с использованием термопар, располагаемых на неактивной части поверхности СМ, либо расчётным путём по измерению величины U . Места размещения термопар определяют по ходу эксперимента или заранее в областях предполагаемого наибольшего нагрева СМ. Температура поверхности СМ измеряют через каждые 30 секунд при регистрации В АХ, а запись теплового состояния радиатора приёмника с помощью термопар, подключённых к ЭВМ, ведётся постоянно в течение каждого эксперимента с интервалом 5 с.
Для определения перегрева СМ измерения проводятся в самом начале эксперимента (после выноса образца из затенения, когда температура СМ практически равна температуре окружающей среды) и по окончании испытаний. Расчет проводится по формуле: Тем = Твоз + ЛТсм = Твоз + (Uj-U J/Kr-N, (Б.1) где Тв03 - температура окружающей среды (в тени), С; ЛТсм - повышение температуры СМ за период времени г, Uxx0 - напряжение холостого хода перед началом эксперимента, В; / / -напряжение холостого хода по окончании эксперимента, В; Кг - температурный коэффициент напряжения холостого хода (для кремниевых СМ Кт — 2,1 ... 2,3 В/град); N - число последовательно соединённых СМ в цепочке приёмника или в проверяемой части цепочки.
Для расчёта эффективности охлаждения СМ в приёмнике с активным съёмом теплоты за счёт теплового контакта конструкции приёмника с прокачиваемой в специальном канале жидкости следует измерять температуру жидкости на входе и на выходе из приёмника, а также объёмы прокачиваемой жидкости за измеряемые промежутки времени. Данные измерения необходимо проводить в начале и в конце каждого эксперимента, связанного с замерами параметров ВАХ, чтобы оценить влияние выбранной степени активного охлаждения на величины Uxx, 1кз, Ропт и и0Пт- При этом в период экспериментов необходимо проводить измерение интенсивности прямого солнечного излучения в плоскости миделя отражателя, а также температуры воздуха и скорости ветра.
При исследовании приёмника с пассивным (воздушным) способом охлаждения следует использовать термодатчики, располагаемые как в зоне непосредственного контакта радиатора с СМ приёмника, так и в точках радиатора, наиболее удалённых от СМ. Это позволит оценить эффективность отвода теплоты от СМ и градиент теплопередачи при различных условиях прихода солнечной радиации, скоростях ветра и температурах воздуха.
С использованием основных положений разработанных методических указаний в 2012 г. проведены натурные испытания фотоэлектрического солнечного модуля с составным концентратором параболоидного типа.
Похожие диссертации на Разработка и исследование солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа
-
-
-
-
-
-
