Разработка и исследование предельных фотоэлектрических и тепловых характеристик энергоустановок когенерационного преобразования концентрированного солнечного излучения для электро– и теплоснабжения автономных потребителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, доктор наук Майоров Владимир Александрович

• Майоров Владимир Александрович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Майоров Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СИСТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

1.1 Условия использования преобразователей солнечной энергии

1.2 Фотоэлектрические системы преобразования солнечной энергии

1.2.1 Солнечные элементы

1.2.2 Фотоэлектрические системы концентрированного солнечного излучения

1.3 Солнечные энергетические установки

1.3.1 Фотоэлектрические системы электроснабжения

1.3.2 СЭС с концентраторами с использованием термодинамических преобразователей солнечной энергии

1.4 Солнечные тепловые и теплофотоэлектрические системы преобразования солнечной энергии

1.4.1 Солнечные тепловые системы преобразования солнечной

энергии

1.4.2 Солнечные теплофотоэлектрические системы преобразования солнечной

энергии

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ И КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

2.1 Предельные фотоэлектрические, энергетические и температурные характеристики фотоэлектрических модулей на основе классической и феноменологической теории

2.1.1 Предельные характеристики фотоэлектрических модулей на основе классической теории

2.1.2 Исследования предельных характеристик фотоэлектрических модулей на основе феноменологической теории

2.1.3 Характеристики фотоэлектрических модулей в реальных

установках

2.2 Предельные фотоэлектрические, энергетические и температурные характеристики фотоэлектрических модулей с концентрированной энергией на основе классической и феноменологической теории

2.2.1 Исследование предельных характеристик фотоэлектрических модулей с концентрированной энергией

2.2.2 Характеристики фотоэлектрических модулей с концентрированной энергией

в реальных установках

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ С КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИЕЙ

3.1 Построение и анализ параметров стационарных параболических зеркальных

концентраторов

3.2 Построение и анализ параметров параболоторических зеркальных

концентраторов

3. 3 Построение и анализ составных зеркальных концентраторов

3. 4 Построение и анализ параметров линейчатых линз Френеля с равномерным

распределением освещенности по фокальному пятну

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ТЕПЛО- И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ И ПРИЕМНИКОВ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

4.1 Принципы функционирования и исследование физико-энергетических

характеристик фотоэлектрических модулей различных типов и режимов

работ

4.1.1 Временные характеристики работы фотоэлектрических модулей с цилиндрическими концентраторами

4.1.2 Энергетические характеристики фотоэлектрических модулей различных типов и режимов работ

4.1.3 Оптимизация параметров стационарных фотоэлектрических модулей с параболоцилиндрическими зеркальными концентраторами

4.2 Разработка и исследование конструкционных и оптико-энергетических характеристик различных типов приемников концентрированной солнечной энергии в составе модулей с параболоторическими зеркальными концентраторами

4.2.1 Приемники солнечного излучения цилиндрического типа в составе модулей с параболоторическими зеркальными концентраторами

4.2.2 Оптико-энергетические характеристики модуля с концентраторами солнечной энергии в составе с двигателем Стирлинга

4.3 Конструкционные и оптико-энергетические характеристики различных типов приемников солнечной энергии в составе модулей с параболоциндрическими зеркальными концентраторами

4.3.1 Приемники солнечной энергии трапецеидального типа в составе теплофотоэлектрического модуля

4.3.2 Приемники солнечной энергии планарного типа в составе теплофотоэлектрического модуля

4.3.3 Конструкционные и оптико-энергетические параметры приемников

солнечной энергии планарного типа в составе модуля с асимметричным

параболоцилиндрическим концентратором

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕОРИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НЕОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1 Энергетические характеристики теплофотоэлектрических модулей с параболоторическими зеркальными концентраторами и приемниками солнечной энергии цилиндрического типа

5.2 Тепловые характеристики теплофотоэлектрических модулей с параболоциндрическими зеркальными концентраторами с приемниками солнечной энергии планарного типа и естественным охлаждением

5.3 Энергетические характеристики приемников солнечной энергии трапецеидального типа в составе теплофотоэлектрических модулей с параболоциндрическими зеркальными концентраторами

5.4 Исследование термодинамических характеристик и параметров теплоносителей для приемников солнечной энергии

5.4.1 Термодинамические параметры теплоносителей в жидкой фазе

5.4.2 Термодинамические характеристики и параметры теплоносителей в газовой фазе

5.5 Энергетические характеристики приемников солнечной энергии треугольного типа в составе теплофотоэлектрических модулей с параболоциндрическими зеркальными концентраторами

5.6 Обобщенная физико-математическая модель расчета конструкционных и энергетических характеристик тепло- и фотоэлектрических модулей с

различными типами приемников солнечной энергии

Выводы по главе

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ, СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

6.1 Фотоэлектрические модули, применяемые в экспериментальной ТФЭ установке

6.1.1 Характеристики промышленных планарных фотоэлектрических

модулей

6.1.2 Характеристики промышленных планарных фотоэлектрических модулей в составе теплофотоэлектрических модулей

6.1.3 Сравнительные характеристики разработанных экспериментальных тепло-фотоэлектрических модулей и промышленных РУТ модулей

6.2 Разработка конструкции экспериментальной солнечной установки для тепло-электроснабжения на основе расчета параметров энергоустановок в реальных условиях

6.3 Создание и исследование характеристик экспериментальной энергоустановки для тепло- и электроснабжения потребителей

Выводы по главе

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

7.1 Технико-экономические показатели энергоустановок и их компонентов

для тепло- и электроснабжения потребителей

7.1.1 Показатели стоимости базовых теплофотоэлектрических модулей с концентраторами

7.1.2 Показатели стоимости установочных модулей

7.1.3 Показатели стоимости в зависимости от параметров установки

7.1.4 Окупаемость в зависимости от параметров установки

7.2 Исследование технико-экономических показателей энергоустановок на базе солнечных модулей с концентраторами

7.2.1 Технико-экономические показатели солнечных теплофотоэлектрических модулей с концентраторами

7.2.2 Показатели стоимости установки в зависимости от конструкционных и энергетических характеристик

7.2.3 Окупаемость в зависимости от конструкционных и энергетических характеристик установки

7.3 Технико-экономическое обоснование применения энергоустановок для тепло- и электроснабжения потребителей

7.3.1 Анализ областей использования теплофотоэлектрических установок в сельском хозяйстве

7.3.2 Перспективные разработки энергоустановок на основе ВИЭ

Выводы по главе

ОБЩИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Состояние вопроса

Солнечная энергия (СЭ) - экологически чистый возобновляемый источник энергии. В основе же практически всех видов возобновляемых источников энергии лежит энергия излучения Солнца и благодаря ей происходят все энергонакопительные процессы на Земле. Количество СЭ, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана.

Современному обществу приходится постоянно искать пути для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в энергии. Только за последнее столетие скачок среднедушевого потребления энергии достиг 50 ГДж/чел. год. Запасы не возобновляемых ресурсов ограничены, а производство и потребление энергии сопровождается существенным нарушением равновесного состояния окружающей среды. При определении условий устойчивого развития общества важную роль играют прогнозы развития энергетики. До последнего времени в развитии энергетики прослеживалась закономерность развития направлений в энергетике, обеспечивающих быстрый прямой экономический эффект. Ситуацию резко изменило осознание человечеством экологическим пределом роста негативных антропогенных воздействий на окружающую среду обитания человека. Поддержание этой среды в нормальном состоянии становится одной из приоритетных целей жизнедеятельности общества. Наличие внешних издержек ставит вопрос о реальной стоимости энергии для общества. Поэтому вопросы развития энергетики должны рассматриваться с единых системных экономико-социально-экологических позиций [1-8].

Среднегодовой рост потребления энергии на ближайшие 50 лет ожидается по различным сценариям развития мировой энергетики на уровне 1,5-2,2 %, что связано со скоростью и темпами роста населения [9]. Анализ структуры потребления энергии, произведенной различными источниками, представлен дифференциальной формой уравнения состояния, в котором присутствует параметр С, характеризующий энергоемкость источника [10-12].

Текущее значение энергоемкости, принимает различные величины в зависимости от способа изменения собственной энергии со временем и скорости энергопотребления.

Относительная энергоемкость мировой системы производства энергии линейно изменяется с ростом численности населения с коэффициентом пропорциональности [11].

Преобладающие темпы нарастания энергоемкости представляют атомная (АЭС) и возобновляемая энергетики (ВИЭ). Солнечные источники энергии в соответствии с расчетами приобретают быстрый рост после 2015 г. на базе использования принципиально новых нетрадиционных подходов к физическим принципам преобразования солнечной энергии.

Нарастающие проблемы экологического характера, а также энергетическая безопасность стран в течение последнего десятилетия являются ключевыми движущими факторами развития возобновляемой энергетики. Доступ к надёжной, доступной и устойчивой энергетике стимулирует инвестиции для того, чтобы в полной мере реализовать потенциал ВИЭ той или иной страны.

В настоящее время возобновляемые источники энергии (ВИЭ) занимают ведущее место по темпам роста их доли в мировом энергопроизводстве и составляют 19,2% (ископаемые топлива - 78,3%, атомные станции - 2,5%). Среди различных видов ВИЭ лидирующее положение по темпам роста занимает солнечная энергетика, давая ежегодный прирост на уровне 20-30%.

Суммарные мощности фотоэлектрических станций: весь мир 139778 МВт, 2010 год [13], 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии [14], 2 % электроэнергии Германии было получено из фотоэлектрических установок [15]. В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок [16]. В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт [17]. По данным Международного энергетического агентства (1ЕА), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч

тераватт-часов или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд. тонн ежегодно [18].

Отчёт Международной некоммерческой ассоциации «REN21» («Renewable Energy Policy Network for the 21st Century»), базирующейся на Программе Организации Объединенных Наций (ООН) по окружающей среде (ЮНЕП) в Париже (Франция), (опубликованный в октябре 2016 г.) закрепляет за ВИЭ статус доминирующего источника энергии по всему миру. Это обосновывается рядом причин, таких, как растущая ценовая конкурентоспособность технологий с использованием ВИЭ, политические инициативы, благоприятствующие развитию данного сектора, более открытый доступ к финансированию, необходимость решения проблем энергетической и экологической безопасности, растущая потребность в энергии со стороны развивающихся и молодых экономик мира и ряд других. Установленные мощности возобновляемых источников энергии в мире, ЕС, БРИКС и странах большой семерки к концу 2015 года в ряде случаев практически удвоились [19].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование предельных фотоэлектрических и тепловых характеристик энергоустановок когенерационного преобразования концентрированного солнечного излучения для электро– и теплоснабжения автономных потребителей»

Актуальность темы

Основной тенденцией развития энергообеспечения в настоящее время является строительство объектов малой (распределённой) генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Энергосбережение на основе ВИЭ является одной из наиболее актуальных проблем в производстве энергии с точки зрения экономики, экологии и общетехнологического уровня развития страны.

Предлагаемое направление носит не только фундаментальный характер, но и является чрезвычайно актуальным особенно для России, где более 60% территории не охвачено централизованными сетями энергоснабжения, что характерно, для сельскохозяйственного сектора в обеспечении автономными системами энергоснабжения хозяйств АПК и сельских поселений. Особо актуальным является использование собственных источников энергии на онове ВИЭ для восточных регионов, Крайнего Севера, горной местности [24].

Эта проблема чрезвычайно важна для России. Удельное потребление энергии на единицу произведенной продукции (а в России оно в 2-3 раза выше, чем на аналогичных предприятиях в Западной Европе) равно как и масштабы использования возобновляемых источников энергии принято считать одними из основных характеристик общетехнологического уровня развития страны.

Перспективы использования ВИЭ приведены в работах [25-29, 36, 43].

Экономическое развитие многих регионов России, основанное на активизации малого предпринимательства, в значительной степени обусловлено необходимостью вовлечения в хозяйственный оборот новых, не освоенных территорий, которые в большинстве случаев не имеют развитой инфраструктуры и не обеспечены энергоресурсами. Такое положение характерно, в первую очередь, для сельскохозяйственного сектора [20], причем не только на территориях страны, не охваченных централизованным энергоснабжением [21, 22].

Прогноз развития электроснабжения сельского хозяйства исходит из того, что централизованная подача электроэнергии будет оставаться доминирующей на достаточно длительный период, и именно в решение проблемы энергосбережения в сельском хозяйстве существенный вклад могут и должны внести возобновляемые источники энергии. Таким образом, технологическая потребность сельского хозяйства страны в использовании возобновляемых источников энергии состоит:

- в решении проблемы энергоэффективности и энергосбережения в сельскохозяйственном производстве;

- в обеспечении автономными системами энергоснабжения хозяйств АПК и сельских поселений, поскольку в настоящее время не менее половины территории страны и около 10 млн. человек населения не обеспечены централизованными системами энергоснабжения;

- в создании дублирующих систем энергоснабжения на случай аварийного отключения централизованных сетей.

Необходимо подчеркнуть, что указанное использование энергетических ресурсов возобновляемых источников, как правило, не загрязняет окружающую

среду, снимая экологическую напряженность (и соответствующие финансовые затраты в том числе после аварий), вызываемую традиционными энерговырабатывающими предприятиями.

Согласно «Программы деятельности Министерства сельского хозяйства Российской Федерации на 2016-2021 годы» [23] в целях устойчивого развития сельских территорий должна быть решена задача стимулирования инновационного развития агропромышленного комплекса.

В настоящее время в РФ отмечается рост внимания к ВИЭ в энергетическом балансе страны. Указ Президента Российской Федерации "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики" [30] и распоряжение Правительства Российской Федерации от 08.01.2009 г. "Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года" [31]. Также согласно распоряжению Правительства РФ планировалось увеличить долю ВИЭ (кроме ГЭС мощностью свыше 25 МВт) до 2,5% к 2015 и до 4,5% к 2020 году.

Источники СЭ в соответствии с прогнозами приобретают быстрый рост после 2015 г. на базе использования принципиально новых нетрадиционных подходов к физическим принципам преобразования СЭ, включая преобразование его в электрическую и тепловую энергию.

На основании преобразования солнечного излучения за счет фотоэлектрических модулей (ФМ) в электрическую энергию и прямого преобразование в тепловую энергию разрабатываются и используются наиболее перспективные сегодня типы солнечных энергетических установок - солнечные фотоэнергетические установки (СФЭУ) [78] и солнечные коллекторы (СК) [64].

Основные проблемы использования ФМ состоят в увеличении их КПД и значительном снижении стоимости вырабатываемой электроэнергии.

Наиболее кардинальным способом одновременного решения этих проблем является разработка и использованием систем ФМ с концентраторами солнечной энергии (СЭ).

Разработка и создание теплофотоэлектрических (ТФЭ) модулей (в англоязычной транскрипции «photovoltaic-thermal, PVT-modules) является одним из важнейших направлений развития солнечной энергетики в мире. Это обусловлено повышением эффективности преобразования СЭ путем получения электрической и тепловой энергии в одном устройстве.

Актуальной является разработка научных основ создания, исследования свойств и принципов функционирования, включая концентрирование СЭ, с целью определения предельных характеристик и направлений перспективных разработок ТФЭ установок.

Создание ТФЭ установок на основе проведения теоретического обоснования, разработок и экспериментальных исследований всего комплекса систем: фотоэлектрических модулей (ФМ), концентраторов, новых типов приемников солнечного излучения (СИ), систем слежения. Увеличение выработки тепловой и электрической энергии, снижение количества ФМ, увеличение температуры теплоносителя решает проблему повышения эффективности и снижения себестоимости производства тепла и электричества для автономных потребителей.

Степень разработанности темы

Основы в области возобновляемой энергетики в России и за рубежом закладывали и развивали ряд ученых и организаторов разработок: Алферов Ж.И., Лидоренко Н.С., Фортов В.Е., Стребков Д.С., Андреев В.М., Арбузов Ю.Д., Амерханов Р.А., Баранов В.И., Баум И.В., Безруких П.П., Бутузов В.А., Елистратов В.В., Грилихес В.А., Васильев А.М., Евдокимов В.М., Каган М.Б., Клычев Ш.И., Ландсман А.П., Марахтанов М.К., Милованов А.Ф., Николаев В.Г., Полисан А.А., Поппель О.С., Румянцев В.Д., Соловьев А.А., Трушевский С.Н., Тверьянович Э.В.,Тягунов М.Г., Харченко В.В., Green М.А., Shockley W., Reed V.A., Duffie J.A., Beckman WA., Coen M.H., Fritzsche H., Ovshinsky S.R., Farber, Hjukjuju, Fahrenbruch АХ., Walmiki M.M., Mukai Tomotsu, Hamakawa Josnihiro, а также исследователи в созданных ими научных и производственных коллективах.

В настоящее время проблемы преобразования солнечной энергии с помощью тепло - и фотоэлектрических (ТФЭ) модулей (в англоязычной транскрипции «photovoltaic - thermal, PVT - modules), в том числе и концентрированного излучения,

изучаются во всем мире. В университете Аризоны разработан перспективный прототип солнечной печи на основе линз Френеля с фокусировкой солнечных лучей в необходимой области теплового сбора. В Японии и других странах ведутся интенсивные разработки солнечных батарей со сложными концентраторами с большими апертурами для автомобилей. SolarCity (США) представила самые эффективные, солнечные панели с КПД 22,04%. Panasonic достиг фотогальванической эффективности панели 25,6%.

В России создаются солнечные батареи нового поколения. Создана Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе под руководством Андреева В.М. с наногетероструктурными каскадными фотопреобразователями на основе GaAs с КПД 36 %, что в два-три раза выше, чем у батарей, созданных на основе кремния.

Группа ученых из университета Брунель в Лондоне создала гибридную систему, которая превращает всю крышу в солнечный генератор.

Разработчики и производители плоских жидкостных PVT коллекторов: Германия Solarzentrum Allgäu, Wiosun PV-Therm, PVT 180; Австрия C. Bösch GmbH, Solator PV+Therm 190; Италия Wp Beghelli SpA, PVT 3 S Photovoltaics; Швейцария 2S HYBRID 240-900; Франция DualSun, Le solaire 2 en 1; Китай Helios Photovoltaic, EL-48/6P160 (PVT), Израиль Millennium Electric, MSS MIL-PVT-190W-M02; Дания EasyBIPV Aps, Convert 310/72-400 PVT.

Разработчики и производители концентрирующих PVT коллекторов Absolicon (Швеция), Cogenra Solar (США), Zenith Solar (Израиль).

Расчетные модели для различных PVT коллекторов рассматривались различными исследователями. Тепловая часть расчетных моделей основана на алгоритме, описана в работах J.A. Duffie, W.A. Beckman. Общая расчетная модель была разработана в Институте исследований солнечной энергии (ISFH - Institut für Solarenergieforschung), Германия. Универсальная модель Fraunhofer ISE для (C)PVT коллекторов, разработанная в институте солнечной энергии во Фрайбурге (Fraunhofer ISE), Модели PVT коллекторов, интегрированы в программе TRNSYS. Эти модели подходит для расчета PVT коллекторов с прозрачной изоляцией, в которой учитывается также выработка электроэнергии фотоэлементами.

В настоящее время не решены вопросы:

1. Исследования предельных фотоэлектрических характеристик кремниевых ФМ в широком диапазоне концентраций СИ и температур, в том числе в условиях нелинейной зависимости плотности тока от концентрации СИ.

Предельные фотоэлектрические характеристики в условиях линейного фотоотклика исследованы классической (фундаментальной) теорией (из первых принципов) определяемые процессами генерации носителей заряда, их рекомбинации, концентрацией примесей полупроводников и др.

2. Влияния концентрации СИ на фотоэлектрические, тепловые, термодинамические характеристики когенерационных ТФЭ модулей в условиях неравномерного распределения СИ по площади приемника и неравномерного распределения температуры по объему устройства протока теплоносителя с несимметричными профилями.

Известные методы расчета тепловых характеристик солнечных коллекторов и РУТ-модулей, с возможным учетом выработки электроэнергии фотоэлементами, разработаны в соответствии с общими формулами теплообмена (с учетом критериев подобия) для симметричных с равномерным нагревом стенок устройства протока и объема теплоносителя.

Решение этих вопросов при проведении фундаментальных исследований и теоретического обоснования всего комплекса систем, входящих в состав ТФЭ установок энергетического и технико-экономического анализа дают основание для создания отечественных более эффективных систем и технических средств энергообеспечения автономных потребителей.

Основная цель проведения исследований в мире в области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию заключается в повышении эффективности работы, как отдельных компонентов, так и энергетических устройств в целом.

Целью работы является определение оптических, термодинамических, фотоэлектрических, предельных характеристик и направлений перспективных разработок ТФЭ установок концентрированного неоднородного преобразования СЭ; научное обоснование, создание компонентов и комплексов энергоэффективных ТФЭ установок когенерационного электро- и теплоснабжения автономных потребителей,

обеспечивающих снижение потерь поступающей СЭ и, в конечном счете, снижение себестоимости получаемой энергии.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Провести обзор и анализ систем использования СЭ для электро- и теплоснабжения потребителей;

2. Разработать на основе феноменологической теории методы расчета, провести исследование и сравнительный анализ с классической теорией предельных фотоэлектрических, энергетических и температурных характеристик ФМ с концентрацией СЭ для эффективного использования в реальных схемах;

3. Разработать аналитические методы расчета, провести исследование термодинамических характеристик и параметров жидких, газообразных теплоносителей для эффективного использования приемников СИ;

4. Разработать принципы функционирования и исследовать конструкции-онные, оптико-энергетические характеристики ТФЭ модулей с приемниками СИ различных типов в зависимости от назначений и условий эксплуатации;

5. Разработать методы расчета и исследовать конструкционные, теплоэнергетические характеристики новых энергоэффективных систем использования СЭ в условиях неравномерного распределения СИ по площади приемника и распределения температуры по объему устройства протока теплоносителя с несимметричными профилями для выработки тепла и электричества;

6. Создать экспериментальную когенерационную ТФЭ установку и исследовать характеристики для энергоснабжения автономных потребителей;

7. Провести исследование технико-экономических показателей, обоснование применения и сравнительный анализ систем использования СЭ для электро- и теплоснабжения автономных потребителей.

Научная новизна работы состоит в разработках:

- методов расчета и исследования на основе феноменологической теории предельных характеристик ТФЭ преобразования в широком диапазоне концентраций СЭ и рабочих температур, по результатам полученных предельных

характеристик определяются направления использования конструкций кремниевых ФМ в реальных схемах преобразования СЭ;

- аналитических методов расчета, принципов построения конструкций зеркальных концентраторов с распределенным фокальным пятном, функционирования и анализа параметров модулей со стационарными, дискретными режимами работы, со следящими системами;

- методов расчета и исследования энергетических, термодинамических характеристик приемников СИ с системами протока теплоносителей цилиндрического, трапецеидального, треугольного типов в составе модулей с концентраторами в условиях неоднородного распределения СИ;

- обобщенной математической модели расчета конструкционных и энергетических характеристик ТФЭ модулей;

- новых когенерационных ТФЭ модулей и установок, включающих приемники и концентраторы, обеспечивающие эффективное преобразование СЭ в тепловую и электрическую энергию для электро- и теплоснабжения потребителей.

Научная новизна разработок защищена патентами РФ.

Теоретическая и практическая значимость работы

- На основе исследований процессов тепло- и фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения, разработаны теоретические и экспериментальные методы повышения эффективности, выработки и предельных значений ТФЭ энергосистем концентрированной СЭ.

- Разработаны и исследованы солнечные ТФЭ модули и установки когенерационного электро- и теплоснабжения, состоящие из фотоэлектрических модулей, концентраторов, приемников СИ, систем слежения, повышающие эффективность, выработку тепловой и электрической энергии, температуру нагрева теплоносителя за счет использования концентрированного излучения.

- Материалы диссертационной работы используются в разработках солнечных энергетических установок на базе параболических концентраторов, ФМ и ТФЭ приёмников концентрированного излучения солнечных модулей и установок. Представленные ниже методы расчета и изготовленные макеты

внедрены в учебный процесс и производственную практику таких организаций, как: ФГБОУ "Астраханский государственный университет", направление подготовки "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" по дисциплине "Альтернативная энергетика", г. Астрахань; ЗАО «АВИАМАШ», специализирующееся на разработках авиационных энергоустановок; Промышленное предприятие ОАО "АлМет" г. Ульяновск, специализирующееся на производстве спутниковых антенн; Предприятие ООО "Солнечный центр" г. Краснодар, специализирующееся на производстве солнечных модулей и коллекторов.

Методология и методы исследований

Основу исследований составляют приемы математического моделирования с использованием законов фотоэлектричества, геометрической оптики, а также тепло- и массообмена. Проведение стендовых и натурных испытаний компонентов и комплексов солнечных энергосистем осуществлялось для уточнения расчетных параметров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные на основе феноменологической теории методы расчета предельных фотоэлектрических, энергетических и температурных характеристик ФМ позволяют проводить расчет и анализ предельных зависимостей основных параметров вольт-амперных (ВАХ) в широком диапазоне температуры и концентрации СИ и являются составной частью расчетов параметров ВАХ в реальных схемах преобразования.

2. Методы расчета термодинамических характеристик и параметров теплоносителей в жидкой и газовой фазе, используемые в разрабатываемых модулях, позволяют проводить расчет и анализ давления, удельной теплоемкости, вязкости, теплопроводности, удельной теплоты парообразования во всем диапазоне температур фазового нагрева.

3. Методы расчета конструкционных, оптико-энергетических, термодинамических характеристик позволяют проводить разработку и исследование солнечных модулей с параболическими зеркальными (ЗК), приемниками различных типов модулей в условиях неоднородного распределения СИ.

4. На основе разработанных методов расчета созданы новые конструкции, исследованы характеристики экспериментальных солнечных ТФЭ модулей и установок для электро- и теплоснабжения потребителей, которые показывают превышение выработки тепловой и фотоэлектрической энергии над существующими промышленными аналогами РУТ-модулей.

5. Методы расчета технико-экономических показателей позволяют проводить оценку технической и экономической целесообразности с учетом прогнозирования конструкционных, энергетических, стоимостных параметров, эффективности работы разрабатываемых систем использования СЭ для электро-и теплоснабжения потребителей.

Основные положения диссертационной работы, выполненные исследования, их результаты и разработки представлены, обсуждены и одобрены на международных научно-технических конференциях.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность исследований и полученные результаты подтверждены высокой сходимостью теоретических и экспериментальных параметров и характеристик, сравнительными характеристиками разрабатываемых модулей с зарубежными аналогами.

Апробация работы

Выступления с результатами исследований по теме диссертации на заседаниях секций Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (2009-2018 гг.), а также на конференциях, семинарах научных учреждений и участие в выставках:

- 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 13-14 мая 2008 г., ГНУ ВИЭСХ, Москва;

- 9-я Специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификации ОПК». 21-24 октября 2008 г., ВВЦ, Москва;

- 6-й Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника», 13-14 мая 2009 г., Санкт-Петербург;

- 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 18-19 мая 2010 г., ГНУ ВИЭСХ, Москва;

- Международной научно-практической конференции «Перспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии», 2010 г., Гос. университет им. М. Ауезова. г. Шымкент. Казахстан.

- Научно-практического семинара «Альтернативная энергетика и энергосбережение в регионах России», 14-16 апреля 2010 г., ФГБОУ "Астраханский государственный университет" г. Астрахань;

- 8-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 16-17 мая 2012 г., ГНУ ВИЭСХ, Москва;

- IX-й Международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика-2012», 14-15 июня 2012 г., Конгресс-Центр Экспоцентра, Москва;

- 6th International Conference on Material science and condensed Matter Physics, September 11-14, 2012, Chisinau;

- Российской агропромышленной выставке "Золотая осень - 2013", 11-14 октября 2013 г., ВВЦ, Москва;

- 9-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 21-22 мая 2014 г., ГНУ ВИЭСХ, Москва.

- 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2014. 22 -29 September, Amsterdam, Nitherland;

- XII Международной ежегодной научно-практической конференции «Возобновляемая и малая энергетика - 2015». Конгресс-Центр Экспоцентра, 8-9 июня 2015г. Москва;

- 10-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 24-25 мая 2016 г., ГНУ ВИЭСХ, Москва;

- XIV Международной ежегодной научно-практической конференции «Возобновляемая и малая энергетика - 2017», 24-25 мая 2017 г., Конгресс-Центр Экспоцентра, Москва;

- Международной научно-практической конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства», 5-6 декабря 2018 г., ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 83 научные работы в российской и зарубежной печати, из которых 29 по материалам конференций, 21 в рекомендованных ВАК изданиях, 7 в изданиях SCOPUS, 1 в издании Web of Science, получены 15 патентов РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения; изложена на 382 страницах машинописного текста, иллюстрированных 186 рисунками и 10 таблицами; снабжена приложением на 54 страницах; список литературы включает 302 наименования (в том числе 67 на иностранных языках).

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается её научная новизна и практическая ценность, приводятся положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы, описывается практическая ценность и апробация работы.

В первой главе проведен обзор и анализ систем использования солнечной энергии для тепло-и электроснабжения потребителей, рассмотрены: условия использования преобразователей солнечной энергии в различных климатических поясах, разрабатываемые в мире типы и использование ФМ, фотоэлектрические системы концентрированного солнечного излучения; солнечные электростанции с концентраторами с использованием термодинамических преобразователей солнечной энергии в тепловую, с возможностью её дальнейшего использования или преобразования в другие виды энергии, и установки для одновременного производства электричества и тепла. Рассмотрены также солнечные коллекторы по выработке тепла, имеющие высокий коэффициент полезного действия, и

гибридные солнечные коллекторы, способные вырабатывать электроэнергию и тепловую энергию одновременно.

На основе проведенного анализа разработанности темы исследования и обзора рынка промышленного солнечных тепло- и фотоэлектрических модулей и установок сформулированы задачи по разработке теории и методов расчета для создания конструкций отечественных более эффективных систем и технических средств энергообеспечения автономных потребителей.

Во второй главе рассмотрены предельные характеристики ФМ, их работа в реальных схемах применяемые в ТФЭ модулях.

На основе феноменологической теории разработаны методы исследования предельных фотоэлектрических характеристик подбором аналитических пробных функций относительно известных теоретических данных (при максимальном отклонении характеристик 3% в определенных классической теорией областях концентраций СИ и температур в условиях линейного фотоотклика).

Разработанные методы расчета позволяют исследовать предельные фотоэлектрические характеристики кремниевых ФМ в широком диапазоне концентраций СИ и температур (в условиях нелинейного и линейного фотоотклика) и их работу в реальных схемах применяемые в ТФЭ модулях.

В третьей главе исследованы конструкции систем, включающие концентраторы различных типов в зависимости от назначений и условий эксплуатации.

Приведены принципы построения и анализ параметров параболоцилиндрических (п/ц), параболоидных (п/б), в том числе и составных концентраторов с асимметричными параболическими ветвями с распределенным фокальным пятном.

Впервые выведены универсальные аналитические выражения, позволяющие, изменяя конструкционные параметры, определять концентрацию и распределение концентрации по ширине фокального пятна в зависимости от параметрического угла у на основе принципов формирования и -, Ф-образных и типа фоклин концентраторов,

Разработаны концентраторы, в том числе и сложного состава на основе принципов формирования фокального пятна по ветвям асимметричного параболического концентратора.

Разработаны методы расчета концентрические линзы Френеля с равномерным распределением освещенности на приемнике концентрированного излучения.

Предложенные схемы формирования концентраторов позволяют разрабатывать эффективные ТФЭ модули.

В четвертой главе разработаны и исследованы принципы функционирования различных типов тепло- и фотоэлектрических модулей и приемников солнечного излучения.

Исследованы временные характеристики работы солнечных батарей с цилиндрическими концентраторами. На основании разработанных методов расчета представлены сравнительные характеристики годового времени работы солнечных батарей планарного типа, батарей с цилиндрическими концентраторами, работающих в стационарном режиме, со слежением за Солнцем, с дискретным слежением за Солнцем, в зависимости от широты местности.

Исследованы конструктивные и оптико-энергетические характеристики в составе солнечных модулей с параболоторическими концентраторами в составе с приемниками концентрированного излучения различных типов: цилиндрического, коническо-цилиндрического, с двигателем Стирлинга.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Майоров Владимир Александрович, 2019 год

Е - И

^^ " ^ - (1 + Lgк)-)'5' (243)

где величина напряжения Ихх (Т) определяется формулой (2.27).

Для предельного напряжение рабочей точки (р.т.) Иртпр(к,Т), В, при концентрации К и температуре Т получено выражение:

Е - И

И - Е - ^ ххрт(Т)

и ртпр(К,Т) ~ (ТлК)к5 , (2.44)

(1 + Lgк )(ТпК)

где величина предельного напряжения р.т. ирт (Т) при температуре Т определяется формулой (2.29).

На рисунке 2.21 представлены зависимости предельного напряжения х.х. кремниевого ФМ от концентрации К при различных температурах нагрева.

Рисунок 2.21 - Зависимости предельного напряжения х.х. кремниевого ФМ от концентрации К при различных температурах нагрева (сверху вниз): -185 оС, 0 оС,

120 оС, 400оС

Приведенные зависимости показывают увеличение предельного напряжения х.х. кремниевого ФМ в зависимости от роста концентрации до максимального значения ~ 1,046 В при температуре -185 оС и концентрации 40000 крат (концентрации излучения на поверхности Солнца) и снижение предельного КПД пропорционально увеличению температуры нагрева.

На рисунке 2.22 представлены расчетные сравнительные зависимости предельного КПД от концентрации К при различных температурах нагрева ФМ.

П*(-185,С)

П*(0,С)

П*(120,С)

П*(400,С)

3 4 5 6 Концентрация

Рисунок 2.22 - Расчетные зависимости предельного КПД кремниевого ФМ (при освещенности Ес=1000 Вт/м2) от концентрации К при температурах нагрева

(сверху вниз): -185 оС, 0 оС, 120 оС, 400оС

Приведенные зависимости показывают увеличение предельного КПД кремниевого ФМ в зависимости от роста концентрации до максимального

значения ~ 44% при температуре -185 оС и концентрации 40000 крат (концентрации излучения на поверхности Солнца) и снижение предельного КПД пропорционально увеличению температуры нагрева.

Зависимости предельного напряжения иххпр(к,т) от концентрации СИ, рассчитанные на основе феноменологической и классической теории (температура нагрева То=273 К) при концентрациях примесей ^=10м в базовой области кремниевого ФМ представлены на рисунках 2.23а при N=18 и 2.23б при К=15 в соответствии с формулами (2.2), (2.38), (2.43).

И

1,15 1,10 1,05 , 1,00 я 0,95 5 0,90 | 0,85 &0,80 щ 0,75 0,70 0,65

Уф* *

фен (N=18) фунд (N=18)

и

- - - - иеопред. диапазон

2 3 4 5 6 Концентрация, Lg К

а

1,15 1,10 И 1,05 1,00 § 0,95 | 0,90 « 0,85 § 0,80 Я 0,75 0,70 0,65

*

* Ф *

* Ф

ф

ф+ ф

ф ифунд (N=15)

Л» . - - - н еопред. диапазон [фен (N=15)

-и

ипред

2 3 4 5 6 Концентрация, Ь§ К

б

Рисунок 2.23 - Зависимости иххпр(к,т) ФМ при: N=18 (а) и при N=15 (б) от

концентрации СИ

Приведенные зависимости, определяемые уравнениями (2.2), (2.38) классической теории имеют предельный рост иххпр (к,т) при малых концентрациях пропорциональный Lg К (линия с точками слева), ограниченный (из первых принципов) процессами генерации носителей заряда, их рекомбинации, концентрацией примесей п/п и др. и определяются лишь при сверхвысоких концентрациях (линия с точками справа). Зависимость иххпр(к,т) на основании феноменологической теории (сплошная кривая) имеет начальный рост близкий к линейному и плавно асимптотически приближаются при сверхвысоких концентрациях к величине Еq=1,1 В с большим отклонением от линейной зависимости в неопределенном диапазоне (пунктирная линия) при меньших значениях N.

Таким образом, классическая теория обосновывает общую зависимость предельного напряжения х.х. иххпр(к,т) и других параметров ВАХ от концентрации двумя соотношениями, между ними находится область концентрации с не

8

0

определенными характеристиками, которую восполняет феноменологическая теория. В связи с этим, желательны фундаментальные исследования предельных характеристик кремниевых ФМ при тех значениях концентраций солнечного излучения, при которых они неизвестны - в области нелинейности фотоэлектрических эффектов и исследовать, как они согласуются с известными значениями в линейных областях при низких и высоких уровнях концентрации.

Предложенные системы уравнений на основе феноменологической теории позволяют проводить расчет и анализ предельных зависимостей КПД, напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и других параметров в широком диапазоне температур и концентрации СИ.

В связи с тем, что теоретическая зависимость на основе классической теории ограничена температурой -80 оС, желательно теоретическое и экспериментальное подтверждение расчетных оптимумов параметров ВАХ кремниевых ФМ в широком диапазоне температур при различных концентрациях СИ, разработанных на основе феноменологической теории.

2.2.2 Характеристики фотоэлектрических модулей с концентрированной

энергией в реальных установках Для исследования ВАХ и энергетических характеристик ФМ при различных условиях распределения температуры и концентрации в реальных схемах преобразования СЭ используется система уравнений предельных величин параметров ВАХ разработанной на основе феноменологической теории.

В классической теоретической модели реального ФМ с р-п переходом при концентрации излучения в модели линейного фототока ФМ вольтамперная характеристика дается выражением [40]:

Акт т -т

и = Акт • 1п(-^- +1) - Т • R, (2.45)

q То

где тф - фототок, А, в линейном приближении пропорциональный концентрации К солнечного освещения поверхности ФМ тф=к-тф1; тф1 - фототок, А, при концентрации К=1; Т0-обратный ток насыщения, А, определяемый свойствами исходного п/п и технологией изготовления ФМ; R, Ом-см2 - сопротивление отнесенное к единице площади ФМ. Безразмерный параметр кривизны

вольтамперной характеристики Акр определяется свойствами р-п перехода и обычно имеет значения от 1 (для идеального перехода) до 2.

Для исследования ВАХ и энергетических характеристик ФМ с концентрированным излучением в реальных схемах преобразования используется система уравнений разработанной на основе феноменологической теории (2.25)-(2.32), представляющая вольтамперную характеристику, при этом ток 1п и напряжение ип зависят от температуры Т нагрева ФМ, концентрации К, а также внутренних и внешних сопротивлений. Эквивалентная схема с системой измерения ВАХ ФМ представлена на рисунке 2.8.

Параметры ВАХ ФМ для концентрированного СИ в реальных схемах преобразования представлены полученной системой уравнений (2.36). Предельные величины параметров ВАХ определяются в соответствии с приведенной выше на основе феноменологической теории системой уравнений (2.25) - (2.32).

На рисунке 2.24 представлены расчетные ВАХ при различных температурах нагрева ФМ при концентрации СИ К=9 крат (а) и зависимость КПД ФМ от температуры на рисунке (б).

а б

Рисунок 2.25 - Расчетные ВАХ ФМ при концентрации К =9 (а) при температурах (сверху вниз): 0, 35, 80, 140 оС. Зависимость КПД от температуры нагрева ФМ (б)

Расчет ВАХ приводился при значениях температур: Т=0, 35, 80, 140 оС, Попт=0.9, при освещенности 1000 Вт/м2, сопротивлении контактной сетки Рс=0,00012 ом-ем, толщине переднего слоя d=0,00008 см, сопротивлении

переднего слоя рпс = 0,0059 омхм, сопротивлении базы ро=0,5 ом-см, площади сетки Sc =0,1ем2.

Представленные характеристики показывают снижение в линейной зависимости КПД при увеличении температуры нагрева ФМ. Так при увеличении температуры от 0 до 140 оС при концентрации К=9 КПД снижается на 21,9 %.

ФМ в составе тепло-фотоэлектрических модулей концентрированного излучения с системой утилизации тепла при нагреве от 20 до 80 оС при концентрации К = 9 снижают КПД в линейной зависимости в пределах 8,8 %.

При концентрации К=1 при температурах нагрева от 20 до 80 оС КПД снижается в линейной зависимости в пределах 15 %.

Из представленных характеристик (на рисунках 2.24 и 2.17) видно, что снижение КПД с ростом температуры при концентрации К=9 ниже, чем при концентрации К=1, что согласуется с классической теорией [40].

Расчетная зависимость КПД от величины шунтирующего сопротивления ФП, представлена на рисунке 2.25.

19

17

£ 15

с и 13

11

9

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Сопротивление, Ом

Рисунок 2.25 - Расчетные зависимости КПД от величины шунтирующего

сопротивления ФМ

Приведенная зависимость показывает, что при уменьшении шунтирующего сопротивления снижаются параметры ВАХ.

В условиях концентрированного излучения при величинах шунтирующего сопротивления менее определенных значений (при данном расчете Rш < 100 Ом) наблюдается резкий спад КПД ФМ, при К=1 резкий спад КПД наблюдается при Rш< 50 Ом.

Таким образом, в условиях концентрированного излучения шунтирующее сопротивление должно иметь более высокое значение, чем при однократной концентрации СИ.

Оптимизация контактной сетки кремниевых ФМ

При расчете ВАХ ФМ, при современной технологии изготовления, общее сопротивление включает:

- суммарное последовательное сопротивление базового слоя Rб, сопротивление тыльного контакта Rт, а также сопротивления растекания тока в поверхностном легированном слое с контактной сеткой Rр, сопротивления самой контактной сетки Rк, шунтирующее сопротивление Rш, а также сопротивление нагрузки Rн и сопротивление проводов Rпр [40]:

Кп = (КН+ КпрЖш , = Кб + Кт + Кр + ^^к . (2.46)

+ ^ +

Схематическое изображение контактной системы ФМ представлено на рисунке 2.26.

При расчетах удельное сопротивление кремния принималось ро=2,5 Ом-см, при толщине базового слоя 0.5 мм и площади СМ, равной 1 см2, сопротивление базового слоя Кб=0,125 Ом. Толщина переднего слоя d=1,2 мкм с удельным сопротивлением рпе=0,0018 Омхм. Удельное сопротивление металлического контактной сетки рк=0,00008 Ом-см. Шунтирующее сопротивление принималось равным Кш=300 Ом.

В соответствии с формулами (2.46), (2.47) определялось сопротивление контактной сетки Rc и сопротивление растекания тока в поверхностном легированном слое с контактной сеткой Rр [42, 192].

Рк • 12 (2 46)

я.

Я- =

'к 2

3 • 5 • Ъ • N

Рпс • £1

12 • d • N • £ 2

(2.47)

Сопротивление соединительных проводов Япр=0,0175 Ом. Сопротивление нагрузки Ян менялось от 0 до 10000 Ом.

При расчете полного сопротивления ФМ учитывается зависимость сопротивления растекания тока в легированном слое ФМ Яр от числа полосок контактной сетки Не для ряда значений ширины полоски 8 и слоевого сопротивления Яр = р/ё.

Расчет энергетических характеристик в зависимости от конструкции сетки рабочей поверхности ФМ, последовательного сопротивления ИЯ используется система уравнений (3.8), представляющая вольтамперную характеристику, оптимальный ток и напряжение ФМ в зависимости от температуры нагрева ФМ и концентрации.

На рисунке 2.27 представлены расчетные зависимости КПД при концентрации солнечного излучения К=9 от площади затенения при различных значениях ширины 8 контактных полос; сопротивления базы Яб для фиксированных параметров слоевого сопротивления легированного слоя.

20 18 16 14 12 10 8

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

Площадь затенения, о.е.

0,25

6=0,0020см 6=0,0050см 6=0,0067см 6=0,0100см 6=0,0133см

0,30

0,35

Рисунок 2.27 - Расчетные зависимости КПД при концентрации солнечного

излучения К =9 от площади затенения при различных значениях ширины контактных полос (сверху вниз) 8: 20 мкм, 50 мкм, 67 мкм, 100 мкм, 133 мкм

Приведенные расчетные характеристики показывают, что при определенной концентрации солнечного излучения имеется максимум КПД, который снижается при увеличении ширины контактных полос и площади затенения активной поверхности ФМ.

На рисунке 2.28 представлены расчетные зависимости КПД от концентрации солнечного излучения при площади затенения поверхности ФМ 10 % при различных значениях ширины 8 контактных полос.

20 19 18 17 16 15 14

-0,002 0 0 7

--0,006

'л...... " — ■ ■ 0,010 - ■ 0,013 0 3

......... — . _ ....... -В! II,<>¿1 ........... 0

........... ^ " — .

........ — —

.....

6 8 10 Концентрация, о.е.

12

14

16

0

2

4

Рисунок 2.28 - Расчетные зависимости КПД от концентрации СИ К = 9 при площади затенения поверхности ФМ 10 % при различных значениях ширины контактных полос (сверху вниз) 8: 20 мкм, 50 мкм, 67 мкм, 100 мкм, 133 мкм

Приведенные расчетные характеристики показывают, что КПД снижается с увеличением ширины контактных полос, ростом концентрации СЭ и при постоянной площади затенения активной поверхности ФМ.

На рисунке 2.29 представлены расчетные зависимости КПД от концентрации ФМ при различных параметрах контактных полос (ширины 8, количества полос Кк/см2).

19,0 18,5 ; 18,0

^ 17,5 * 17,0 16,5 16,0

6 8 10 Концентрация, о.е.

12

14

Рисунок 2.29 - Расчетные зависимости КПД от концентрации ФМ при различных параметрах контактных полос (ширины 8=50 мкм, количества полос снизу вверх

Кк/см2= 6, 7, 9, 10)

Приведенные расчетные характеристики показывают, что при определенной ширине контактных полос имеется максимум КПД, который снижается при уменьшении количества контактных полос и увеличении концентрации ФМ.

Зависимости КПД ФМ от концентрации при различных значениях оптического КПД (затенения контактной сеткой) показано на рисунке 2.30.

22 20 18 16 14 12 10

КПДопт=0,98 КПДопт=0,95

- КПДопт=0,93 КПДопт=0,9

- кПДопт=0,87 КПДопт=0,8

> б/сетки

6 8 10 12 Концентрация, о.е.

14

16

8

0

Рисунок 2.30 - Зависимости КПД ФМ от концентрации при различных значениях оптического КПД (затенения контактной сеткой)

Приведенные характеристики показывают рост КПД ФМ при снижении затенения контактной сеткой рабочей поверхности (увеличения оптического КПД - линии снизу вверх) фотопреобразователей.

При отсутствии сетки на рабочей поверхности (верхняя линия с точками достигается максимум КПД ФМ при малой зависимости от концентрации СИ.

Такого рода солнечные элементы изготавливаются фирмой SUNPOWER с КПД 22-24 %.

Таким образом, приведенные характеристики показывают возможность прогнозирования оптимальных значений физико-энергетических параметров ФМ, с учетом использования специальной контактной системы при различных концентрациях СЭ.

Выводы по главе 2

1. Развиты научные основы и созданы методы определения и расчета предельных электрофизических и энергетических характеристик ФМ,

предназначенных для работы при любых, вплоть до предельных, концентраций солнечного излучения.

2. Используя выражения классической теории ФМ для фототока, плотности обратного тока насыщения, коэффициента диффузии, времени жизни и ВАХ, определяются зависимости предельных значений напряжения холостого хода, КПД, коэффициента заполнения ВАХ от температуры.

3. Предельный КПД Ппр идеального фотоэлектрического модуля возрастает при увеличении концентрации солнечного излучения К при малых концентрациях примерно логарифмически А^т ~ 1п К, что указывает на перспективность использования концентрации солнечного излучения для одновременного решения обеих отмеченных выше фундаментальных проблем фотопреобразования, т.е. повышения КПД и снижения стоимости.

4. На основе феноменологической теории разработаны методы исследования предельных фотоэлектрических характеристик подбором аналитических пробных функций относительно известных теоретических данных в широком диапазоне концентраций СИ и температур (при максимальном отклонении характеристик 3% в определенных классической теорией областях концентраций СИ и температур в условиях линейного фотоотклика).

5. Впервые теоретически определены оптимумы предельных величин параметров ВАХ: - напряжения холостого хода, напряжения рабочей точки, с максимумом КПД ~ 35 % при температуре -185 оС кремниевых ФМ.

Проведенные Андреевым В.М. и сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе экспериментальные исследования ФМ на основе GaAs в широком диапазоне температур (получен максимум при температуре -120 оС, при концентрации 750 крат), качественно подтверждают результаты исследований на основе феноменологической теории,

5. Предложенные системы уравнений на основе феноменологической теории позволяют проводить расчет и анализ предельных зависимостей КПД, напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и других параметров в широком диапазоне температур и концентрации СИ.

Классическая теория обосновывает общую зависимость предельных параметров ВАХ от концентрации соотношениями, между которыми находится область концентрации с неопределенными характеристиками, которую восполняет феноменологическая теория.

6. При разработке аналитической модели расчета и исследования ВАХ и энергетических характеристик ФМ для концентрированной энергии в реальных схемах преобразования используются предельные параметры ВАХ характеристик ФМ на основе феноменологической теории.

7. Расчетные характеристики показали перспективность использования концентраторов СЭ для ФМ при использовании специальной контактной системы.

8. В реальных системах усовершенствованных промышленных кремниевых ФМ оптимальные концентрации солнечного излучения составляют порядка 15-18 крат, а максимальные КПД, превышают 20 %.

9. Таким образом, приведенные характеристики показывают возможность прогнозирования оптимальных значений физико-энергетических параметров ФМ, при различных концентрациях солнечного излучения и температурах нагрева, в реальных схемах преобразования СЭ.

Глава 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ С КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Разработка и создание установок с концентраторами для фотоэлектрического и теплового преобразования солнечного излучения в настоящее время является одним из направлений развития в мировой практике солнечной энергетики [138,139, 140].

Принципиально концентраторы солнечного излучения, разрабатываемые для работы солнечных батарей в натурных условиях, разделяются на стационарные, дискретные и с непрерывным слежением за Солнцем.

При стационарной работе солнечных батарей в натурных условиях -энергетические и временные характеристики зависят от параметрического угла (угла раскрытия) концентратора при постоянном положении концентратора, при котором концентрированное излучение перемещается по приемнику.

При дискретной работе солнечных батарей в натурных условиях -энергетические и временные характеристики зависят от параметрического угла с временной корректировкой положения концентратора, при котором концентрированное излучение перемещается по приемнику.

При работе солнечных батарей со слежением в натурных условиях -энергетические и временные характеристики не зависят от параметрического угла с постоянной корректировкой положения концентратора, при котором концентрированное излучение не перемещается по приемнику.

На этом основании разрабатываемые солнечные батареи имеют различные принципы построения параметров концентраторов.

3.1 Построение и анализ параметров стационарных параболических

зеркальных концентраторов

Стационарные концентраторы имеют особенности работы, которые заключаются в том, что не всё излучение, пришедшее на мидель концентратора, достигает приёмника излучения [71]. Эти особенности определяются профилем отражающей поверхности и для разных типов стационарных концентраторов

различны.

В

данном разделе рассмотрены концентраторы

параболоцилиндрические и -, Ю-образные и типа фоклин, приведены методы

формирования их различных ветвей, выведены универсальные аналитические выражения, позволяющие изменяя конструкционные параметры определять концентрацию в зависимости от параметрического угла.

Исследованы конструкции систем, включающие концентраторы различных типов в зависимости от назначений и условий эксплуатации. Предложенные схемы формирования концентраторов позволяют разрабатывать эффективные ТФЭ модули.

Приведены принципы построения и анализ параметров параболоцилиндрических (п/ц), параболоидных (п/б), в том числе и составных концентраторов с асимметричными параболическими ветвями с распределенным фокальным пятном.

Впервые выведены универсальные аналитические выражения, позволяющие, изменяя конструкционные параметры, определять концентрацию и распределение концентрации по ширине фокального пятна в зависимости от параметрического

угла у на основе принципов формирования и -, Ю-образных и типа фоклин

концентраторов.

где, / - фокусное расстояние параболы, м.

При повороте ветвей параболы на угол а вокруг т. F (фокуса параболы) формула параболы принимает вид [208-210, 214]:

Y

У

Рисунок 7 - Схема формирования концентраторов на основе параболы Исходя из формулы для параболы: X2 = 4 / (У + /), I

(3.1)

sin2 2y X sin2(2y -a)

= 4 f (Y

cos2 y

cos(2y -a)

+ f)

(3.2)

и является основой для расчета основных геометрических параметров концентраторов параболического типа.

При угле а - равном параметрическому углу у, уравнение параболы принимает вид:

X2

sin2 2у

sin2 y

4f (Y

cos2 y cos y

+ f)

(3.3)

Уравнение крайнего луча при параметрическом угле у, проходящего через фокус и край параболы при значении Х, можно записать:

X = Y tg y. (3.4)

Решая систему уравнений (3.3), (3.4), находим выражение отношения X/f:

X/f = 1 / sin y. (3.5)

Параболический концентратор типа фоклин в координатных осях Х,У, высотой h, м, шириной миделя D, м, и основанием (шириной одностороннего приёмника) d, м, учитывая, что D/d - является геометрической концентрацией образованного двумя ветвями развернутой параболы на угол a=Y концентратора и соответствует выражению K=1/sinY, о.е., приведенное Барановым В.К. [101, 212].

Концентратор с горизонтальным двусторонним приемником d представлен на рисунке 3.2 [219].

D 0 Y

Рисунок 3.2 - Концентраторы с горизонтальным двусторонним приемником

На внешнюю сторону приемника концентрируется излучение от парабол (с фокусами F2) расположенных выше оси Х, а на обратную поверхность приемника концентрируется изучение от оптической системы, расположенной ниже оси Х, которая может быть представлена в виде парабол и полуокружностей с центрами (фокусами Fi, F2) на краях приемника d.

Концентратор с горизонтальным приемником может формироваться из нижней параболы (с поворотом на угол у вокруг фокуса расположенным на краю приемника) и фокусным расстоянием fi:

fi=n d/2, (3.6)

где n=0......m и верхней параболы (с поворотом на угол у вокруг фокуса

расположенным в точке пересечения луча от верхнего края параболы с параметрическим углом у с осью Х), фокусное расстояние которого равно:

f2=d*/2A*, (3.7)

где d*- расстояние от фокуса F2 (Fi) до точки пересечения нижней параболы с осью Х.

Параметр А* соответствует выражению:

А* =

1- sin y 1

(3.8)

cos2 y 1 + sin y

Значение d* , м, может быть выражено через соотношение:

d*=d(n А* + k/2) . (3.9)

Отношение D/d=K равное геометрической концентрации концентратора может быть выражено соотношением:

D/d=D*/f (n+k/2A*) + (1-k). (3.10)

В соответствии с формулой (3,5), (3.10): D*//2=1/siny, (3.11)

поэтому выражение геометрической концентрации параболоцилиндрического концентратора, построенного на основе нижней и верхней парабол, имеет вид:

Kyy=-i-(m + Р) + (1 -Р) , (3.12)

sin y 2 2

где параметр p соответствует перемещению фокуса верхней параболы F2 вдоль приемника (рисунок 3.2) справа налево в интервале значений p=0...2; параметр n соответствует изменению размера фокусного расстояния нижней параболы f1.

Так, при значениях m=0, f1=0, p=2 (F2 - в начале приемника) концентратор представляет собой фоклин Баранова с геометрической концентрацией [100, 212]:

К=—. (3.13)

sin y

При значениях m=1, f1=d/2, p=2 (f2 - в начале приемника):

K=^—. (3.14)

sin y

При значениях m=0, /1=0, f2=d, p=1 (/2- в середине и является двусторонним вертикальным приемником) концентратор представляет собой U - образный тип c геометрической концентрацией K=2/sin у [212].

Высота Н, м подобного концентратора определяется выражением:

К + (p -1)

H = h + f1= ' + mf1, (3.15)

К + (p - 1)

где h =--L d. (3.16)

2 g

Если на обратную поверхность приемника концентрируется изучение от оптической системы, расположенной ниже оси Х, представленной в виде полуокружностей с центрами радиусов г на краях приемника d (рисунок 3.2), то значение f1 соответствует выражению:

r=f1=m-d/2 . (3.17)

Значение d* может быть выражено через соотношение:

d*=(m + p) • d/2 . (3.18)

Универсальная формула геометрической концентрации параболоцилинд-рического концентратора, построенного на основе верхних парабол и оптической

системы, расположенной ниже оси X (Ю-образный концентратор [217]),

представленной в виде полуокружностей с центрами радиусов г на краях приемника d имеет вид:

. 1 ...m + p

Kyr= (~-+1)( + (1 - p), (3.19)

sin y 2

где параметр p соответствует перемещению фокуса верхней параболы f вдоль приемника (рисунок 3.2) справа налево в интервале значений p=0......3; параметр

n соответствует изменению размера полуокружностей с центрами радиусов г на краях приемника d.

При значениях m=1, r=d/2, p=3 (F2 - на пересечении параболы и оси Х) значение геометрической концентрации приобретает вид:

2

Kyr=-—. (3.20)

sin у

Зависимости геометрической концентрации Куг от параметрического угла у параболоцилиндрического концентратора, построенного на основе верхних парабол и оптической системы, расположенной ниже оси Х в виде полуокружностей с центрами радиусов г, м, на краях приемника d, м, для разных значений параметров m,p показаны на рисунке 3.2.

Высота подобного концентратора на основании формул определяется выражением:

К + (p -1)

H = —г^—- d + m • г . (3.21)

2tgy

На основании приведенных формул (3.6)-(3.20) определены зависимости геометрической концентрации Куг от параметрического угла у параболоцилиндрического концентратора для разных значений параметров m, p, представленные на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Зависимости геометрической концентрации КуГ от параметрическогоугла /параболоцилиндрического концентратора для разных

значений параметров т, р

Таким образом, на основании приведенных универсальных формул (3.12) и (3.19) и графиков на рисунке 3.3 видно, что при перемещении падающего луча от начала приемника - рисунок 3.2 (крайне правое положение - фокусное расстояние /2 верхней параболы минимальное) в сторону конца приемника (фокусное расстояние /2 при этом увеличивается) геометрическая концентрация увеличивается и принимает максимальное значение для параболоцилиндрических концентраторов Ктах=2^т/.

3.2 Построение и анализ параметров параболоторических концентраторов

В настоящем разделе рассмотрен новый тип солнечного модуля с параболоторическим концентратором и с приемником СЭ цилиндрического типа, расположенного на боковой поверхности концентратора, который одновременно является радиатором охлаждения, на котором формируется достаточно равномерная осевая и радиальная освещенность концентрированного излучения.

Известны солнечные модули с преобразователями и различными типами осе симметричных концентраторов СИ особенности работы, которых заключаются в том, что солнечное излучение параллельное оси симметрии, пришедшее на мидель концентратора, достигает приёмника излучения расположенного в центре фокуса параболы.

При смещении приемника вдоль оси симметрии появляется фокальное пятно с гауссовым распределением концентрации солнечного излучения [71].

Рассмотрены осесимметричные концентраторы параболического типа, состоящие из асимметричных ветвей, приведены методы формирования их.

При различном смещении фокуса асимметричных ветвей концентратора фокальное пятно приемника на ветвях имеет различные величины и распределение концентрации СИ, которые определяются профилем отражающей поверхности [212, 213, 266].

В предлагаемом методе построения и определения конструктивных и энергетических параметров осе симметричных модулей, симметрия которых основана на составленных двух асимметричных зеркально расположенных парабол с общей осью симметрии.

На рисунке 3.4 представлена схема формирования фокального пятна по ветвям симметричного параболического концентратора.

X*dнY*dн

О

XcpYcp

X

Рисунок 3.4 - Схема формирования фокального пятна по ветвям симметричного

параболического концентратора

Форма отражающей поверхности концентратора Х(У), соответствующей условию освещенности элемента противоположной ветви симметричного концентратора, определяется системами уравнений [274, 275]:

При определении верхних координат приемника Х*ав, У*ав: tg£=dY/dX=X/2/; У'=(Х2/4/)'=Х/2/; Х*ав =АХав=Хс-Хав; У*ав= Уав а*о=л/2-2^; tgа*=tg(л/2-2^)=1/tg2^=(1-tg2^)/2tg^; Xcp=Xo-Ro; Ycp=X2cp/4f ; АXo=Ro-f; Xo=2Ro-АХо; Yd=(X2d/4/); tg£=X/2/=A; tga*=(1-A2)/2A; tg£cp=Xcp/2/=Acp; tga*cp=(Ydв-Ycp)/ (Xdв-Xcp); tgao=tgacp= (Xdв-Xcp)/(Ydв-Ycp); tga*cp=1/tgao=(1-A2ср)/Aср = Bcp; X2dв- 4XdвfBcp - 4^+ 4XcpfBcp = 0; Xdв =2/Bcp{1+[1+(Ycp-XCрBcp)//B2ср]^}, (3.22) где £ - угол между лучом падающего в среднюю точку симметричного параболического концентратора и нормалью к касательной ветвей параболы с координатами Xcp,Ycp и Х^рД^р; aо - угол между осью OY и лучом, отраженным от параболы с координатами Xcp,Ycp; an — угол между лучом, отраженным от нижней точки симметричного параболического концентратора (верхних координат фотоприемника ХвДв и Х*вД*в.) приходящим в фокус F и лучом,

0

отраженным от поверхности симметричного параболического концентратора с координатами ХпДп (X*nY*n).

При определении нижних координат приемника X*dн,Y*dн:

tgy=X/2/=A; 1£уо=Хо/2^Ло; Рс=2у-л/2; 2Ло/(1-Л2о)= Во; tgPo=tg(2yо-л)=tg2yо;

tg2yо=2tgyо/(1-tg2yо)=2Aо/(1-A2о); tgPo=(Yo-Ydн)/(Xo-Xdн); (Yo-Ydн)/(Xo-Xdн)= =(1-Л2о)/2Ло; Ydн=(X2dн/4/); tgPo=(Yo-/УX>; X*dн =ЛXdн=Xo-Xdн; Y*dн= Ydн Х2 - 4Х //В - 4/(Yo - Х/В) = 0;

Xdн =2//В{ [1+(Yo-Xo/B)B2//]^-1}; Хан =2//Bo{ [1+(Yo-Xo/Bo)B2o//|1/2 - 1}; tgфo=ЛXd/ЛYd; ЛXd= Xdв - Xdн; ЛYd= Ydв - Ydн , (3.23)

где у - угол между нормалью к касательной ветвей параболы с координатами Xо,Yо ^*оД*о) и перпендикуляром к оси OY; во - угол между лучом, отраженным от верхней точки симметричного параболического концентратора с координатами Xо,Yо ( X*о,Y*о), приходящим в фокус и перпендикуляром к оси OY.

Максимальное значение параметра Rо концентратора, фокусное расстояние f выбираются в соответствии с граничными условиями.

Распределение концентрации по фокальному пятну Кп определяется системой уравнений:

Ф=л-(ao-фo+a*o+Po); tв=dsmф/sm(a*o+Po); smф=sm[л;-(ao-фo+a*o+Po)]; sinф=sin(ao-фo+a*o+Po); Xdн=Xcp+[(Xo-Xcp)n/N); tgan=Xn/(/-Yn)=An; tgan=(An-tgao)/(1+Antgao); dn=lвsinan/sin[л-(ao-фo+an)]; ao=фo+an (3.24)

Концентрация освещенности по поверхности приемника параболоцилиндра Кппц рассчитывается по формуле:

Knпц=ЛXdn/Лdn. (3.25)

Концентрация освещенности по поверхности приемника параболоида Кппб рассчитывается по формуле:

Knпб=2[(Xdn)2n+l-(Xdn)2n)]/[(Хdв-dn)+(Хdв-dn+l)]Лdn . (3.26)

Коэффициент равномерности распределения концентрации крср по фокальному пятну приемника определяется зависимостями:

кртт= Кптт/Кг, кртах=Кг/Кптах , крср=(кртт+кртах)/2. (3.27)

На основании предложенной системы уравнений произведен расчет профилей концентраторов с различными значениями фокусных расстояний, представленные на рисунке 3.5 (а), (б).

х

о

а ^

о о

а я

о

г я Я

о Я н я я

Я

Ч

а

о о

и

30

20

10

-10

-20

-30

-40

^0^

0 2 0 3 0 4

Координатное значение оси 0Y, см

X о

и с о е и н е ч а н

и

о н т а н

и

д

р

о

о Ко

30

20

10

-10

-20

-30

-40

) 2 0 3 0 4

Координатное значение оси 0Y, см

0

0

а б

Рисунок 3.5 - Расчет профилей концентраторов с различными значениями

фокусных расстояний: Rо=30 см;/1=22 см (а),/=26,4 см (б) Приведенные расчетные профили концентраторов показывают, что при

различных значениях фокусных расстояний (граничных условий) меняются величина и расположение фокального пятна на ветвях концентратора, что влияет на величину и распределение концентрации солнечного излучения.

На основании предложенной системы уравнений произведен расчет распределения концентрации по фокальному пятну с различными значениями фокусных расстояний, представленный на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Распределение концентрации по фокальному пятну концентратора с различными значениями фокусных расстояний (слева направо): Rо=30 см; /1=19,4 см, /2=22,4 см, /3=26,49 см, /4=27,49 см, /5=28,1 см

Приведенные расчетные зависимости показывают немонотонный характер распределения концентрации солнечного излучения по ширине фокального пятна от пологого минимума к резкому увеличению до максимального значения.

На основании предложенной системы уравнений произведен расчет зависимости геометрической концентрации Кг от координатного приращения фокусного расстояния параболоцилиндрического концентратора, представленной на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Расчет зависимости геометрической концентрации Кг от фокусного расстояния параболоцилиндрического концентратора Приведенные расчетные характеристики показывают, что при увеличении

фокусного расстояния (граничных условий) геометрическая концентрация на

ветвях концентратора увеличивается от пологого минимума к резкому

увеличению до максимального значения.

На основании предложенной системы уравнений произведен расчет зависимости коэффициента равномерности распределения концентрации крср по фокальному пятну от фокусного расстояния параболоцилиндрического (п/ц) концентратора, представленной на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Зависимость коэффициента равномерности распределения концентрации крср по фокальному пятну от фокусного расстояния п/ц

концентратора