Повышение эффективности концентраторов солнечных энергетических установок с высоковольтными фотопреобразователями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Смирнов, Александр Владимирович

• Смирнов, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Александр Владимирович

Список принятых сокращений.

Введение.

Глава 1. Обзор существующих типов солнечных энергетических установок и возможностей повышения их эффективности.

1.1 Классификация солнечных энергетических установок.

1.2 Принципы построения солнечных электростанций для комбинированного производства электрической и тепловой энергии.

1.3 Конструктивные элементы солнечной энергетической установки для одновременного производства электричества и тепла.

1.3.1 Фотоэлектрические преобразователи.

1.3.2 Концентратор солнечной энергии.

1.3.3 Система слежения за солнцем.

1.3.4 Электрическая часть установки.

1.3.5 Тепловая>часть СЭУ.

1.3.6 Система автоматического управления и контроля установки.

1.4 Выбор направления исследования.

1.5 Постановка задач диссертации.'.

Глава 2. Метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии.

2.1 Сущность метода.

2.2 Разработка алгоритма программы.

2.3 Выбор оптических схем концентрации для решения поставленной задачи.

2.4 Разработка программных методов расчета концентрирующих систем.

2.4.1 Принятые допущения при расчете концентрирующей системы.

2.4.2 Фацетный концентратор.

2.4.3 Параболоцилиндрический концентратор.

2.5 Создание программы реализующей разработанный метод моделирования.

2.5.1 Программный модуль - генератор лучей.

2.5.2 Программный модуль - трассировщик лучей.

2.5.3 Обработка данных.

2.5.4 Интерфейс программы.

2.6 Моделирование работы концентрирующих поверхностей.

2.7 Оптимизация фацетного концентратора.

2.8 Соотношение точности системы слежения и допусков на изготовления концентратора.

2.9 Расчет ожидаемой мощности установки.

2.10 Выводы по главе.

Глава 3. Разработка макета концентрирующей системы.

3.1 Создание расчетной схемы макета.

3.2 Конструкция макета солнечной энергетической установки.

3.3 Учебно-исследовательский стенд для анализа солнечных энергетических установок.

3.4 Выводы по главе.

Глава 4. Исследования макета концентрирующей системы.

4.1 Средства измерения для проведения исследований.

4.2 Измерение вклада фацетов в общий коэффициент концентрации.

4.3 Измерение коэффициента концентрации концентратора.

4.4 Измерение вольтамперной характеристики макета.

4.5 Определение пространственного распределения сфокусированной световой энергии.

4.6 Оценка качества работы охлаждающей жидкости.

4.7 Зависимость мощности ФЭП от коэффициента концентрации.

4.8 Оценка зависимости изменения мощности ФЭП от точности ориентации КСЭ.

4.9 Снижение требований к точности работы системы слежения и допусков на изготовление отражающей поверхности за счет использования двусторонней засветки фотопреобразователя.

4.10 Согласование напряжений многопереходного фотопреобразователя и планарного фотоэлектрического модуля.

4.11 Описание установки, принятой к опытно-конструкторской разработке.

4.12 Выводы по главе.

Глава 5. Перспективные области применения установок комбинированного типа.

5.1 Области применение установок комбинированного типа.

5.2 Экономические предпосылки применения солнечных энергетических установок в централизованных системах электроснабжения.

5.3 Определение стоимостных характеристик модуля.

5.4 Оценка экономического эффекта от применения установки с концентратором.

5.5 Сравнение предложенного типа энергетической установки с планарным фотоэлектрическим модулем.

5.6 Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с концентраторами.

5.7 Энергетическая окупаемость установки.

5.8 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности концентраторов солнечных энергетических установок с высоковольтными фотопреобразователями»

В условиях ограниченности ископаемых ресурсов и невозможности, уже в ближайшей перспективе, постоянного и, тем более, растущего использования мировых запасов углеводородов перед каждым государством стоит важнейшая задача - поиск путей предотвращения наступающего энергетического кризиса или максимального смягчения проблем энергообеспечения страны в его условиях. Одним из путей решения этой глобальной задачи, стоящей перед человечеством, является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Согласно прогнозам, сделанным в начале этого десятилетия [1], наша планета сможет обеспечить нас нефтью и газом в течение 50-75 лет и углем в течение 400-500 лет. При этом существует большое количество различных предположений о потенциальных количествах основных видов топливных ресурсов в недрах Земли. Однако все они, в конечном счете, сходятся во мнении, что исследования новых источников энергии и разработка установок на их основе крайне необходима уже сегодня, т.к. быстрое создание энергосистемы на базе принципиально новых источников энергии невозможно.

Россия является крупнейшим государством мира по площади, занимая 11,46% суши, большинство населения которого проживает в городах. Существенная часть территории России является малозаселенной и передача электрической энергии по ЛЭП в такие районы является крайне неэффективной, поэтому 70% территории страны не имеет централизованного электроснабжения [2]. Это, прежде всего, Крайний Север, восточные регионы и горная местность. Для таких регионов уже сейчас вопрос использования собственных источников энергии, к которым относятся и ВЭИ является актуальным.

В настоящее время в РФ отмечается постоянный рост понимания будущей роли ВИЭ в энергетическом балансе страны. В связи с этим за последние два года подписаны [106]:

• указ Президента Российской Федерации "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики";

• распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».

Согласно распоряжению Правительства РФ [4] планируется увеличение доли использования ВИЭ (кроме ГЭС мощностью свыше 25 мВт) с 0,9 % в 2008 году до 1,5% к 2010-му, до 2,5% - к 2015-му и до 4,5 % к 2020 году, что составляет около 80 млрд. кВт-ч выработки электроэнергии с использованием ВИЭ в 2020 году при 8,5 млрд. кВт-час в настоящее время.

Наиболее распространенным и доступным ВИЭ является солнечная энергия (СЭ). Приход суммарной СЭ на поверхность Земли оценивается в 1018 кВт-ч/год. Эта цифра в 7000 раз превышает годовое потребление энергии всеми жителями нашей планеты [5].

Солнечная энергия, в настоящее время, используется для получения тепловой и электрической видов энергии, применяемых в хозяйственных нуждах децентрализованных объектов, в большинстве относящихся к сельскому хозяйству.

Установленная мощность фотоэлектрических систем в мире к концу 2008 года достигла 14,2 ГВт [6]. Лидерами, с точки зрения объемов потребления фотоэлектричества, в 2008 году стали: Испания (41,3%), Германия (27,8%) и США (6%). Согласно последним статистическим данным [7], мировой рынок солнечной энергетики в 2008 году вырос на 5,95 ГВт, а темпы роста составили примерно 53%.

В России пока реализуются только локальные, небольшие по мощности проекты в области солнечной энергетики. Практически все действующие фотоэлектрические системы, суммарной площадью 2700 м , расположены на территории Краснодарского края. Этот регион лидирует и по числу солнечных водонагревательных установок, суммарная площадь - 6300 м2. Такие системы есть также в Бурятии, Ростовской области, несколько домов, использующих солнечные коллекторы, построены в Москве и во Владивостоке [6]. Согласно карте инсоляции России видно, что наиболее выгодно применение солнечных энергетических установок в южных и юго-восточных регионах нашей страны (рис. В.1) [3].

Не смотря на существующее мнение о том, что в странах лежащих севернее 45° с.ш. солнечная установка не окупается даже в течение 20 лет, Германия, находящаяся в зоне умеренно континентального климата на широте 45°-55°, является одним из признанных мировых лидеров в области солнечной энергетики. Это говорит о том, что в Южных регионах России, обладающих большими солнечными ресурсами, нежели Германия, имеются предпосылки для развития солнечной энергетики. Стоит отметить, что Краснодарский край и большая часть Южной Сибири по инсоляции (4,0—4,5 кВт-ч/м2-день) сравнимы с югом Франции и центральной частью Италии, где солнечная энергетика развивается бурными темпами [9].

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к постепенному снижению себестоимости преобразования солнечной энергии. Это, в первую очередь, связано со снижением капитальных затрат на производство установки, увеличением объемов производства, применением более эффективных конструкционных материалов и повышением эффективности работы конструктивных составляющих и СЭУ в целом.

ЭНЕРГОРЕСУРСЫ РОССИИ шг более 2000 часов в год

Рисунок В.1 - Карта инсоляции России

Актуальность темы.

Основной проблемой, препятствующей ускоренному внедрению в наземную энергетику солнечных энергетических установок, является низкий КПД фотопреобразователей. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование высоковольтных многопереходных фотопреобразователей с вертикальным р-п переходом. Ключевыми особенностями высоковольтных фотопреобразователей является возможность их использования при более высоких концентрациях приходящего солнечного излучения, при этом можно наблюдать эффект увеличения КПД. Так же к достоинствам высоковольтных фотопреобразователей следует отнести, то, что они обладают двумя световоспринимающими сторонами, более высоким коэффициентом теплоотдачи и меньшими токовыми потерями. Поэтому очевидным способом повышения эффективности установок, с высоковольтными фотопреобразователями, является использование концентраторов, обеспечивающих двухстороннюю засветку и оснащенных системой слежения за солнцем, что в свою очередь увеличивает коэффициент использования светового потока. Кроме того при использовании подобных систем возможно создание комбинированной системы для производства электричества и тепла.

Существенная доля потерь происходящих в концентрирующих СЭУ происходит непосредственно в концентраторе. Суммарная величина этих потерь может достигать 50%. Поэтому важнейшими задачами при рассмотрении установок, оснащенных концентраторами являются: максимальное снижение потерь в концентрирующей системе за счет оптимизации формы ее поверхности; сопоставление величин погрешностей системы слежения и формы концентрирующей поверхностей и решение различных инженерно-технических проблем. В работе рассмотрены три основных типа концентрирующих систем: фацетная и параболоцилиндрическая - в качестве расчетных моделей; линейные жалюзные гелиостаты-концентраторы — в качестве макета.

В развитие отечественной и мировой гелиотехники — фотоэлектрического и теплового способов преобразования солнечной энергии внесли большой вклад российские ученые: Алферов Ж.И., Андреев В.М., Баум В.А., Баранов В.К., Вавилов B.C., Васильев A.M., Грилихес В.А., Евдокимов В.М., Захидов Р. А., Каган М.Б., Колтун М.М., Кондратьев К.Я., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С., Пивоварова З.И., Полисан А.А., Потапов В.Н., Рябиков С.В., Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Тюхов И.И., Стребков Д.С., Селиванов Н.П., а также зарубежные ученые Бекман У., Даффи Дж., Антонио Луке, Клейн С., Колларес - Перейра М., Лю Б., Джордан Р., Холландс К., Уинстон Р., Сэтер Б. и ряд других выдающихся ученых.

Часть данной работы выполнялась в соответствии с программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» Федерального Агентства по науке и инновациям (ФАНИ) Министерства науки и образования РФ в рамках научно-исследовательской работы по государственному контракту от 26 ноября 2007 года № 02.516.11.6141: «Исследование возможности создания солнечно-энергетического модуля на основе применения кремниевых высоковольтных многопереходных фотопреобразователей в режиме концентрированной солнечной освещенности и построения их этих модулей наземной солнечной теплоэлектрической станции нового поколения». Другая часть работы, проводилась в рамках Европейской Сети по образованию и подготовке кадров по возобновляемым источникам энергии (The European Network on Education and Training in Renewable Energy Sources (EURONETRES)) UNESCO, в частности, разработан и изготовлен лабораторно-исследовательский стенд для анализа углов прихода солнечного излучения и их влияния на эффективность работы солнечных энергетических установок.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности концентраторов солнечных энергетических установок комбинированного типа на базе многопереходных высоковольтных фотопреобразователей, для повышения общей эффективности установки.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии, позволяющий моделировать распределение концентрированного излучения по поверхности фотопреобразователей в зависимости от формы отражающей поверхности и допусков на отклонения нормалей к поверхности, точности системы слежения.

2. Рассчитать форму концентратора солнечной энергии, обеспечивающего максимальную эффективности установки с приемником излучения на основе многопереходных фотопреобразователей, обладающих двумя световоспринимающими поверхностями; провести анализ влияния формы концентратора солнечного излучения, точности работы системы слежения и качества изготовления отражающей поверхности на распределение плотности энергии, приходящей к фотопреобразователю, и на коэффициент концентрации.

3. Разработать и изготовить макет рассчитанного концентратора солнечной энергии; провести натурные испытания макета концентратора солнечной энергии в составе установки для комбинированного производства электрической и тепловой энергии.

4. Исследовать работу системы слежения за Солнцем, определить минимально допустимую точность работы системы слежения при 40 кратной концентрации, осуществить привязку точности работы системы слежения к допускам на изготовления отражающей поверхности концентратора.

5. Разработать и изготовить лабораторно-исследовательский стенд для проектирования солнечных энергетических установок методом физического моделирования углов прихода солнечного излучения и исследования эффектов затенения.

6. Провести технико-экономическое обоснование использования рассчитанной установки, составленной из модулей оснащенных концентраторами в народном хозяйстве.

Научная новизна работы.

1. Разработан эффективный метод энергетического анализа концентратора солнечного излучения, учитывающий точность изготовления его отражающей поверхности, режимы работы системы слежения за Солнцем и позволяющий рассчитать его геометрию, согласно заданным условиям.

2. Предложена форма концентратора солнечной энергии, обеспечивающего высокие технические характеристики установки с двусторонним приемником излучения на основе многопереходного фотопреобразователя.

3. Создан оригинальный макет солнечной энергетической установки, позволяющий испытывать в натурных условиях фотопреобразователи, обладающие, как одной, так и двумя световоспринимающими поверхностями, при различных вариантах коэффициента концентрации в пределах до 20 крат с каждой из сторон.

4. Обоснована установка планарных фотоэлектрических модулей в слепой зоне концентратора, играющих роль резервных источников питания для системы слежения за Солнцем и повышающих эффективность использования приходящего потока солнечной энергии.

5. Разработан и запатентован лабораторно-исследовательский стенд для проектирования солнечных энергетических установок методом физического моделирования углов прихода солнечного излучения и исследования эффектов затенения.

Научная новизна работы подтверждена двумя патентами Российской Федерации на изобретения [92, 108] (Прил. 3).

Практическая ценность.

Метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии и макет солнечной энергетической установки, оснащенной концентратором, обеспечивающим двустороннюю засветку многопереходных ФЭП и позволяющим регулировать коэффициент концентрации с каждой из сторон в пределах до 20 крат использовались в процессе проведения НИР по государственному контракту от 26 ноября 2007 года №02.516.11.6141 «Исследование возможности создания солнечно-энергетического модуля на основе применения кремниевых высоковольтных многопереходных фотопреобразователей в режиме концентрированной солнечной освещенности и построения из этих модулей наземной солнечной теплоэлектрической станции нового поколения» [32]. Предложенный в диссертационной работе метод энергетического анализа концентратора, позволяет увеличить КПД создаваемых солнечных энергетических установок за счет снижения оптических потерь внутри концентратора и обеспечения равномерности поля засветки на поверхности фотопреобразователя, а так же снизить стоимость и трудоемкость процесса его изготовления, что подтверждено актом и приведено в отчете по НИР.

В результате проведенных натурных испытаний и проведенных предварительных расчетов установлено, что предложенная форма концентрирующей поверхности снижает требования к точности системы слежения, по сравнению с отражающими поверхностями, обеспечивающими одностороннюю засветку, в 2,25 раза и увеличивает допуски на изготовление отражающей поверхности концентратора в 2,25 раза.

Разработанный макет концентратора, позволяет регулировать коэффициент концентрации в диапазоне до 20 крат с каждой из сторон и обеспечивает равномерную засветку фотопреобразователя, что позволяет испытывать различные виды фотопреобразователей при различных концентрациях.

Лабораторно-исследовательский стенд для физического моделирования углов прихода солнечного излучения позволяет проводить исследования работы солнечной энергетической установки в зависимости от времени суток, сезона и широты местности; их расположения на крышах и фасадах здания, а также проверить эффекты затенения от соседних зданий и других препятствий. Это позволяет проводить лабораторные занятия для энергетиков по учебному курсу: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» - раздел «Солнечная энергетика»; для архитекторов — «Градостроительство и планирование сельских населенных пунктов»; а также по общеинженерным курсам «Физика», «Геометрическая оптика», а также другим курсам, например «Экология», в которых рассматриваются вопросы солнечной энергетики. Лабораторно-исследовательский стенд внедрен в учебный процесс Марийского Государственного Университета (ГОУ ВПО МарГУ) на Электроэнергетическом факультете и Московском Государственном Агроинженерном Университете им. В.П. Горячкина (ГОУ ВПО МГАУ) на кафедре ЮНЕСКО ГНУ ВИЭСХ. Разработка проводилась по заказу Московского офиса ЮНЕСКО, контракт № 876625.6 и была представлена на совещании EURONETRES.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод энергетического анализа концентратора, учитывающий точность изготовления его отражающей поверхности и режимы работы системы слежения за Солнцем и позволяющий рассчитать его геометрию, согласно выбранным условиям.

2. Рассчитанная и смоделированная форма концентратора, обеспечивающего двухстороннюю засветку фотопреобразователя с коэффициентом концентрации 20 крат.

3. Результаты исследований концентратора солнечной энергии в составе макета солнечной энергетической установки на базе многопереходного фотопреобразователя.

4. Методика физического моделирования углов прихода солнечного излучения и оценки их влияния на эффективность работы солнечных энергетических установок при помощи лабораторно-исследовательского стенда.

Достоверность научных результатов и основных выводов подтверждена совпадением аналитических данных с данными испытаний концентратора в составе солнечной энергетической установки, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы.

Материалы диссертации были использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 26 ноября 2007 года № 02.516.11.6141 «Исследование возможности создания солнечно-энергетического модуля на основе применения кремниевых высоковольтных многопереходных фотопреобразователей в режиме концентрированной солнечной освещенности и построения из этих модулей наземной солнечной теплоэлектрической станции нового поколения» и проекту № 8684 от 20 июня 2008 года, программы УМНИК «Разработка метода математического моделирования и принципа построения солнечной энергетической установки», в работе по заказу Московского Офиса ЮНЕСКО контракт № 876625.6 от 27 декабря 2006 «Создание учебно-исследовательского лабораторного оборудования по возобновляемой энергии и инструкций/руководств к ним».

Основные положения диссертационной работы докладывались на 5-ой и 6-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ), конференции в рамках выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» в 2006 и 2008 гг. (г. Москва, ВВЦ), второй международной конференции «Concentrating Photovoltaic Optics and Power» (Darmstadt, Germany), 11-ой международной конференции по солнечной энергетике на больших широтах «Northern Sun», 2007 г (Riga, Latvia), IX Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (г. Москва, МГУИ), Шестой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 2008 г. (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях рекомендованных перечнем ВАК и 2 патента РФ на изобретение [92, 108].

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, иллюстрированных 76 рисунками и 13 таблицами, и снабжена 3 приложениями; список литературы включает 117 наименований.

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Смирнов, Александр Владимирович

5.8 Выводы по главе

В результате проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Предложены два варианта использования СЭУ ФЭТ:

• для питания сельских объектов, не имеющих централизованного электроснабжения и питающихся от местных дизель-генераторных установок;

• для питания электрических изгородей и различных электроприборов при отгонном животноводстве.

2. При использовании предложенного типа СЭУ ФЭТ в Краснодарском крае ежегодная выработка электрической энергии одним модулем составит 200 кВт-ч/год, а тепловой 300 кВт-ч/год, а установка, состоящая из 10 модулей 2000 кВт-ч/год и 3000 кВт-ч/год соответственно.

3. Для электроснабжения дома 1-го уровня бытовой нагрузки села, расположенного в Краснодарском крае, или регионе схожем по годовому приходу солнечной радиации, достаточно одной установки, состоящей из 5 модулей.

4. Затраты на изготовление макета предложенной установки составили 63000 руб. на один модуль, ожидается, что изготавливаемый в промышленных масштабах модуль такой установки будет стоить около 28 000 руб.

5. Стоимость пиковой мощности установки данного типа при необходимой организации производства составляет 108 руб/Вте (3,6 usd/BTe), а тепловой — 78 руб/Втх (2,6 usd/BTT). Использование установки будет оправдано в случаях, когда доля прямой составляющей в общем приходе солнечной радиации будет более 70%.

6. В случае использования СЭУ ФЭТ в отгонном животноводстве, экономия денежных средств, по сравнению с дизельным генератором, будет достигаться через 9 лет, однако в зависимости от местных условий эта величина может несколько возрасти.

7. Срок энергетической окупаемости установки, рассчитанный по количеству произведенной электрической энергии, для Краснодарского края составляет 9,8 лет.

4 С учетом энергозатрат на производство охлаждающей жидкости

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе показано, что повысить эффективность солнечных энергетических установок комбинированного типа и снизить ее стоимость можно за счет использования концентраторных многопереходных фотоэлектрических преобразователей с вертикальными р-n переходами и концентраторов обеспечивающих двустороннюю засветку.

В данной работе получены следующие результаты:

1. Предложенная геометрия концентрирующей поверхности, обеспечивающая двустороннюю засветку многопереходного фотопреобразователя, повышает эффективность концентратора, в частности, при точности работы системы слежения за Солнцем 0,4° и допуске на отклонение нормалей к отражающей поверхности ±0,4°, по сравнению с концентратором, обеспечивающим одностороннюю засветку с коэффициентом концентрации 40 крат, оптический КПД увеличивается с 65% до 81%.

2. Разработан метод энергетического анализа концентратора, позволяющий получить информацию о распределении световой энергии по поверхности фотопреобразователей, о требуемой точности работы системы слежения и потерях, связанных с погрешностями в ее работе и об ее влиянии на равномерность распределения световой энергии по поверхности фотопреобразователей; при помощи этого метода рассчитана концентрирующая система, обеспечивающая двустороннюю засветку фотопреобразователя с энергетическим коэффициентом концентрации 20 крат с каждой из сторон.

3. Разработан и изготовлен макет солнечной энергетической установки с концентратором, обеспечивающий двустороннюю засветку фотопреобразователей концентрированным светом и позволяющий регулировать энергетический коэффициент концентрации в пределах до 20 крат с каждой из сторон, предназначенный для испытания фотопреобразователей различных конструкций.

4. Проведены экспериментальные исследования макета концентрирующей системы в натурных условиях. Коэффициент концентрации испытуемого макета составил 19,5 при оптическом КПД концентратора с учетом потерь на отражение от фотоэлектрического преобразователя и идеальной точностью слежения 81 % при диапазоне углов прихода солнечных лучей к фотопреобразователю [-30°; 40°], при использовании более точного механизма юстировки фацетов возможно достижение оптического КПД 90%. Максимальное снижение генерируемой установкой мощности при ошибке слежения на 1° составляет 30% при среднем снижении мощности на 15%.

5. Ширина фокальной плоскости увеличена на 10%, это приводит к увеличению равномерности распределения концентрированной энергии по поверхности фотопреобразователя - неравномерность мощности солнечного излучения снижается с 36% до 26%, снижается оптический КПД системы с 85% до 81%, но при этом увеличивается энергетический коэффициент концентрации на 4,4%.

6. Разработан, изготовлен и внедрен в учебный процесс лабораторно-исследовательский стенд для проектирования солнечных энергетических установок методом физического моделирования углов прихода солнечного излучения и исследования эффектов затенения.

7. Предложены два варианта использования солнечных энергетических установок: для питания сельских объектов, не имеющих централизованного электроснабжения и питающихся от местных дизель-генераторных установок; для питания электрических изгородей и различных электроприборов при отгонном животноводстве. При использовании предложенного типа солнечных энергетических установок, состоящей из 10 модулей, в Краснодарском крае ежегодная выработка электрической и тепловой энергии составляет 2000 кВт-ч/год и 3000 кВт-ч/год соответственно. Стоимость пиковой мощности установки данного типа при необходимой организации производства составляет 108 руб/Вте (3,6 usd/BTe), а тепловой - 78 руб/Втт (2,6 usd/BTT).

8. Использование многопереходных фотопреобразователей с вертикальным р-п переходом с КДП 20% обеспечивает увеличение эффективности производства электрической энергии установкой, по сравнению со стандартным фотоэлектрическим модулем на базе фотопреобразователей с КПД 15%, на 27% при незначительном повышении стоимости установки - увеличение стоимости ФЭП в 10 раз приводит к увеличению стоимости установки на 1%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Александр Владимирович, 2010 год

1. Безруких П. П., Стребков Д. С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 264 с.

2. Energia dal sole: le fonti rinnovabili. A cura di F. P. Vivoli, M. Zinzi. ENEA, 2006.

3. Маркетинговое исследование российского рынка солнечной энергетики. — http://www.research-techai-t.ru/report/solar-energv-market.htm.

4. Annual world solar photovoltaic industry report. http://solarbuzz.com/Marketbuzz20Q9-intro.htm.

5. Котенко Д. В. Старт нового комплекса в этом году // Мировая энергетика, № 2(61).-М., 2009.

6. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Основы фотоэлектричества. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.-319с.

7. Сабади П. Р. Солнечный дом / пер. с английского Н. Б. Гладковой. М.: Стройиздат, 1981. - 113 е.: ил.

8. Dennis Holloway. Пассивный солнечный дом: Простой метод проектирования / пер. с английского О. Меныпенин. www.mensh.ru.

9. Энергия солнца. — http://www.domashTHm.su/articles/electro/electro 94.html.

10. Харченко Н. В. Индивидуальные солнечные установки. — М.:Энергоатомиздат, 1991.-208с.: ил.

11. Vorobiev Y., Gonsales-Hernandes J., Vorobiev P., Bulat D. Thermal-photovoltaic solar hybrid system for efficient solar energy conversion // Solar Energy, № 80, 2006. P. 170-176.

12. Прямое преобразование энергии. / под. ред. Тимашева С.В., Янтовского Е. И., пер. с англ. — М.: «Мир», 1969. — 414 с.

13. Двигатель Стирлинга. http://www.metodolog.rU/Q 1621/01621 .html.

14. PVT ROADMAP // A European guide for the development and market introduction of PV-Thermal technology, PV Catapult. Zondag H., Bakker M., van Helden W. — Energy Research Centre of the Netherlands ECN, 2006.

15. Market, modeling, testing and demonstration in the framework of the IEA SHC TASK 35 on PV/Thermal solar systems. J. Hansen, H. Sorensen, and oth. // The 22-nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. — Milan, 2007.

16. Integrating PV/thermal concentrator systems into buildings. D. Strebkov, Y. Kuzhnurov, I. Tyukhov, and oth. // Proceedings of the 2005 Solar World Congress / edited by D. Y. Goswami, S. Vijayaraghaven, R. Campbell. CD. ASES, 2005.

17. Апьтшуллер Г.С. О прогнозировании развития технических систем. — http://www.altshuller.ru.

18. Melissa A. Schilling, Melissa Esmundo. Technology S-curves in renewable energy alternatives: Analysis and implications for industry and government // Energy Policy 37. 2009. P. 1767-1781.

19. Беляков П.Ю. Производство электрической энергии на базе энергии солнечного излучения // «Электротехнические комплексы и системы управления». Воронеж, 2008. С. 70-74.

20. Power-Spar. http://www.power-spar.com.

21. Absolicon, solar concentrator. http://www.arontis.se.

22. HelioDynamics Ltd. http://www.hdsolar.com.

23. Проект сооружения экспериментальной солнечной электростанции в Кисловодске. Чернявский А. А., Мануйленко А. Г., Капустин Ю. Д., Коваленко М. А. // Энергетическое строительство, №7. М., 1993. С. 35-39.

24. Кисловодская СЭС. http://www.cert-energy.rU/doc/conf/session%203/l 1 .pdf.

25. Кириллин В. А., Шпильрайн Э. Э. Перспективы солнечных электростанций // Вестник РАН. М., 1989. С. 51-56.

26. Солнечные электрические станции. Ахмедов Р. Б., Баум И. В., Пожарнов В. А., Чаховский В. М.// Гелиоэнергетика (Итоги наука и техника ВИНИТИ). М., 1986. - 120 с.

27. Рыбкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1963.-496 с.

28. Солнечная энергетика. Перевод с английского и французского / под ред. Малевского Ю. Н., Колтуна М. М. М.: «Мир», 1979. - 390 с.

29. Сайт компании Nitol. — http://www.nitolsolar.com/rutechnologies.

30. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Виссарионов В. И., Белкина С. В., Дерюгина Г.В., Кузнецова В. А., Малинин Н. К. / Под ред. Виссарионова В. И. М.: ООО Фирма «ВИЭН», 2004.-448 с.

31. Симакин В.В., Стребков Д.С., Тюхов И.И. «Солнечные элементы с вертикальными р-n переходами — альтернативное направление для солнечных концентраторных систем» // Труды МЭИ, вып. 653. М., 1992. С. 53.

32. Алферов Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, том 38, вып. 8. Спб., 2004. С. 937-948.

33. Vorobiev Y., Gonsales-Hernandes J., Kribus A. Analisis of Potential Conversion Efficiency of a Solar Hybrid System with High-Temperature Stage // Solar Energy Engineering, may.- 2006. P. 258-260.

34. Симакин В. В., Стребков Д. С., Тюхов И. И. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя из монокристаллического кремния». Российский патент на изобретение № 2127471 с приоритетом от 28.03.96.

35. Тюхов И. И., Стребков Д. С., Симакин В. В. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя». Российский патент на изобретение № 2127472 с приоритетом от 28.03.96.

36. Андреев В. М, Грилихес В. А., Румянцев В. М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989. - 310 с.

37. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения / Под ред. академика РАСХН Д.С. Стребкова. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007. - 316 с.

38. Икрянников Н. П., Свиридов К. Н., Шадрин В. И. Автономные солнечные установки с концентраторами солнечного излучения // Интеграл №2(22). М.: 2005,.

39. Сайт ФГУП «НПО Астрофизика». http://www.astrophys.ru.

40. Report: Concentration Photovoltaics (CPV). Working Group 3 "Science, Technology and Applications (WG3). EU Photovoltaic Technology Platform. 2006. - 43 c.

41. Интернет Энциклопедия «Википедия». http://ru.wikipedia.org/wiki.

42. Андреев В. М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал, №7. 1996. С. 93-98.

43. Базарова Е. Г. Повышение эффективности использования солнечной энергии в энергетических установках с концентраторами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2008, 142 с.

44. Литвинов П. П. Исследование и разработка стационарных составных параболоцилиндрических концентраторов для фотоэлектрических и тепловых преобразователей солнечной энергии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2004,137 с.

45. Чернявский А. А. Разработки института «Ростовтеплоэлектропроект» в области нетрадиционной энергетики // Материалы научно-технического международного семинара «Энергосбережение и возобновляемая энергетика». Сочи: СГУТиКД, 2006.

46. Анисимова С.С., Свиридов К.Н., Шадрин В.И. «Гелиоустановка». Российский патент на изобретение № 2210038 от 14.11.2001.

47. Солнечная электростанция «SEGS». http://www.america.gov/st/washfile-russian/2008/February.

48. Coventry J. S., Performance of a concentrating photovoltaic/thermal solar collector // Solar Energy 78 (2005). C. 211-222.66. http://greenfieldsolar.com/our technology.php. Сайт компании GreenField Solar Corp.

49. Tom Rapini. Locally grown technology. http://www.ereenenergyohio.org/

50. Vorobiev Y., Horley P., Gonzalez-Hernandez J., Experimental and Theoretical Evaluation of the Solar Energy Collection By Tracking and Non-Tracking Photovoltaic Panel // ISES 2005 Solar World Congress.

51. Система слежения за Солнцем Traxle. — http://www.solar-trackers.com.

52. Frank R. VRLA batteries resist freezing and thawing // Batteries Int. № 18,1994. P. 68-69.

53. Лыкин A.B. Электрические системы и сети. М.: Логос, 2007. - 254с.

54. Большаков А.А. Интеллектуальные системы управления организационно-техническими системами. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 160с.

55. Галкин В.И. Промышленная электроника и микроэлектроника. — М.: Высшая школа, 2006. 350с.

56. Renewable Energy: Did You Know?. — http://www.basinandrangewatch.org/ /SolarOneNV.html

57. Poulek V., Libra M. Solar Energy. Prague, 2006. - 154 p.

58. O. Kusch. Computer-Aided Optical Design of Illuminating and Irradiating Devices. -Moscow: ASLAN Publishing House, 1993.- 192 p.

59. Трассировка лучей. http://graphics.cs.msu.ru/courses/cg99/notes/lectl2/prouzis/ /raytrace.htm.

60. ФТИ им. А. Ф. Иоффе. http://www.ioffe.rssi.ru/index.php?row=4&subrow=2.

61. Тверьянович Э. В., Беленов А. Т., Литвинов П. П. Концентрирующий фотоэлектрический модуль для комбинированного энергоснабжения // Ежеквартальный информационный бюллетень «Возобновляемая энергия», март 2004. с. 10-11.

62. Источники света и иллюминация. http ://www.my3 dm ах .ru/obuch/12/2.

63. Патент РФ на изобретение № 2382953. Комбинированная солнечно-энергетическая станция / Симакин В.В., Тюхов И.И., Алексеенко B.IL, Смирнов А.В., Захаров Н.М., Тюхов С.И. // БИ 2010, № 6.

64. Martin С. L., Goswami D.Y. Solar Energy Pocket Reference. Earthscan, 2005. - 88 p.

65. Jacques H. Derome. «Sunshine simulator for small scale models». US Patent №4881899 от 21.11.2009.

66. Kei Mori. «Sunshine simulator». US Patent №4470820 от 11.09.1984.

67. Ellis Humphreys. «Apparatus for studying illumination». US Patent № 2328456 от 31.08.1943.

68. Тюхов И.И., Смирнов A.B. Проектирование энергоактивных зданий при помощи имитатора движения солнца // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. Горячкина «Агроинженерия» №5(20). М., 2006. С. 19-21.

69. Smirnov A.V., Tyukhov I.I., Simulating of sun's path for shadow analysis of solar buildings // 11th International Conference on Solar Energy at High Latitudes "Northern sun 2007". Riga, 2007. C. 57-58.

70. Тюхов И.И., Смирнов A.B., Гелиоимитатор // Возобновляемые источники энергии: Материалы научной молодежной школы / под общей редакцией А. А. Соловьева. М.: геогр. ф-т. МГУ, 2006. С. 101-104.

71. Патент РФ на изобретение № 2340009. Установка для моделирования движения солнца / Тюхов И. И., Смирнов А. В. // БИ. 2008, №33.

72. Sun emulator information. http://cadc.auburn.edu/sun-emulator/mainpage.htm.

73. Sun Frost Heliodons. — http://www.sunfrost.com.

74. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Додэка, 2005. - 384с.

75. Технологии возобновляемой энергетики и энергосберегающее оборудование. Каталог технологий и изделий, разработанных в системе ГНУ ВИЭСХ. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - 60 с.

76. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 г. Лачуга Ю.Ф., Стребков Д.С. и др. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. - 64с.

77. Теплогазстрой. Официальный сайт компании. http://tgs.su/index.php7sect ld=5.

78. ГОСТ Р 51594-2000. Государственный стандарт Российской Федерации. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения.

79. ГОСТ Р 51597-2000. Государственный стандарт Российской Федерации. Нетрадиционная энергетика. Модули солнечные фотоэлектрические. Типы и основные параметры. Введ. 2001-01-01. М., 2000 - 4с.

80. Куландин А. А., Тимашев С. В., Иванов В. П. Энергетические системы космических аппаратов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 320 с.

81. Официальный сайт министерства энергетики РФ. http://minenergo.gov.ru/ /activity/vie.

82. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством. Учеб. для вузов / Под ред. акад. Н. С. Соломенко. М.: Изд-во стандартов, 1990. - 342 с, ил.

83. Симакин В. В., Тюхов И. И., Смирнов А. В. Солнечная энергетическая установка для одновременного получения электричества и тепла // Электротехника, №3, 2009. М.: «Знак», С. 38-^2.

84. NASA Surface meteorology and Solar Energy. http://eosweb.larc.nasa.gov.

85. Продукция электрических изгородей Olli. http://www.olli-ms.ru/images/ /instructions/2009catalog.pdf.

86. Фотовольтаика опыт Германии. - http://solareview.blogspot.com/2009/Q5/blog-post 1398.html.

87. Универсальный справочник энциклопедия. - http://www.sci.aha.ru/ALL/bl 1 .htm.

88. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения: пер. с нем. / Хайнрих Г., Найорк X., Нестлер В.; под ред. Б.К. Явнеля. М.: Стройиздат, 1985, 352с.

89. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства. Драгайцев В.И., Морозов Н.М., Шпилько А.В., Цой J1.M. — М.: РАСХН, ВНИЭСХ, 2001. —345 с.

90. Методика расчета технико-экономических характеристик электростанций, в условиях рыночной экономики М.: ВИЭСХ, 1998. - 31 с.

91. Kleith F., Norton P., Brown D. C02 Emissions from Coal-Fired and Solar Electric Power Plants. Solar Energy Research Institute, May 1990.

92. Берковский Б. M., Козлов В. Б. Экология возобновляемых источников энергии: Обзорная информация. М.: Наука, 1986. 125 с.