Разработка и исследование солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Панченко, Владимир Анатольевич

• Панченко, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Панченко, Владимир Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С КОНЦЕНТРАТОРАМИ

1.1 Солнечные энергетические установки

1.2 Обзор концентраторов солнечной энергии

1.2.1 Отражающие концентраторы

1.2.2 Фацетные концентраторы

1.2.3 Параболоидные концентраторы

1.2.3.1 Методы изготовления параболоидных концентраторов

1.2.3.2 Электростанции на основе параболоидных концентраторов

1.3 Термодинамические преобразователи солнечной энергии

1.4 Системы охлаждения фотоприёмников...:

1.5 Системы слежения за Солнцем

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА И РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ПРИЁМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа с различными типами приёмников солнечного излучения

2.1.1 "Теплофотоэлектрический приёмник в составе когенерационного модуля

2.1.2 Приёмник - двигатель Стерлинга

2.1.3 Фотоэлектрический приёмник, совмещённый с концентратором-радиатором

2.2 Методика расчёта теплового режима теплофотоэлектрического приёмника когенерационной установки

2.2.1 Аналитический тепловой расчёт фотоприёмника

2.2.2 Методика теплового расчёта фотоприёмника в программной среде Ашув

2.2.3 Расчёт тепловых режимов радиаторов фотоприёмника при различных конструктивных

параметрах

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА

3.1 Разработка технологии изготовления концентратора параболоидного типа

3.2 Изготовление радиатора фотоэлектрического приёмника

3.3 Исследование теплофотоэлектрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа

3.3.1 Обобщённые характеристики планарных и матричных солнечных модулей при различных условиях освещения

3.3.2 Исследование распределения освещённости по поверхности теплофотоэлектрического приёмника

3.3.3 Исследование тепловых характеристик работы теплофотоэлектрического модуля

3.4 Исследование солнечного модуля с двигателем Стерлинга и различными концентраторами солнечного излучения

3.4.1 Исследование теплового режима работы двигателя Стерлинга с воздушным и водяным охлаждениями совместно с параболоидным концентратором производства ОАО АлМет

3.4.2 Исследование тепловых режимов работы двигателя Стерлинга с концентраторами параболоидного типа и водяным охлаждением в натурных условиях

3.5 Сравнение выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными

преобразователями солнечной энергии

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА

4.1 Исследование областей применения солнечных энергетических установок комбинированного типа

4.2 Технико-экономическое обоснование использования теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения автономных потребителей

4.2.1 Оценка стоимостных характеристик теплофотоэлектрического модуля

4.2.2 Оценка стоимости установки (поле модулей в виде сот) из теплофотоэлектрических модулей на раме со следящей системой за Солнцем

4.2.3 Оценка стоимости установки (поле модулей в виде сот) из фотоэлектрических модулей на раме со следящей системой за Солнцем

4.2.4 Оценка стоимости установки с большим концентратором, площадь которого равна площади рамы следящей системы (20 м2)

4.2.5 Оценка стоимости установки с концентратором для фотоэлектрической части приёмника

4.2.6 Влияние концентраторов на формирование стоимости солнечной фотоэлектрической установки

4.3 Энергетическая окупаемость установки

4.4 Оценка экономического эффекта от применения установки с концентратором

4.5 Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с

концентраторами

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Методика и алгоритм теплового расчёта фотоприёмника в программной

среде Ansys и тепловые режимы радиаторов, рассчитанные с её помощью

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Методика натурных испытаний солнечного модуля с цилиндрическим

фотоприёмником и концентраторами параболоидного типа

ПРИЛОЖЕНИЕ В Протокол натурных испытаний теплофотоэлектрического солнечного модуля с составным концентратором параболоидного типа и фотоэлементами, установленными

на цилиндрическом радиаторе с водяным охлаждением

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты о внедрениях и патент

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа»

ВВЕДЕНИЕ

В основе практически всех видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) лежит энергия излучения Солнца. Количество солнечной энергии (СЭ), поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана [1,2]. "Ясно, что проблема энергии как ресурса - не в её общем возможном количестве, а скорее, в количествах, получаемых из источников, которые мы предпочитаем и в состоянии использовать в настоящее время в виде сложившихся традиций и отработанных технологий" [3]. Солнечная энергия - экологически чистый возобновляемый источник энергии, роль которого в современном мире легко оценить. Ещё Циолковским К.Э. подмечено: "Только наше невежество заставляет пользоваться ископаемым топливом" [4]. Большая часть производимой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ, сопровождается не только химическим загрязнением окружающей среды и истощением природных ресурсов, но и приводит к "тепловому загрязнению Земли".

Существенная часть территории России является малозаселённой, а передача электроэнергии по ЛЭП в такие районы является нерентабельной, поэтому около 70% территории страны не имеет централизованного электроснабжения [5]. Для таких регионов (Крайний Север, восточные регионы и горная местность) использование собственных источников энергии является особо актуальным. К таким источникам относятся возобновляемые источники энергии [6 - 8]. Согласно прогнозам [9], Земля сможет обеспечивать нас нефтью и газом 50 - 75 лет и углём 400 - 500 лет. Авария же на атомной электростанции Фукусима в Японии поставила вопрос об экологических проблемах атомной энергетики, к тому же запасов топлива для атомной энергии хватит на сто лет [10]. Использование атомных станций связано также с проблемой переработки и захоронения радиационных отходов. К серьёзным экологическим нарушениям приводит перекрытие рек плотинами гидроэлектростанций, а также использование огромных территорий суши под водохранилища. Все эти предпосылки приводят к необходимости пересмотреть перспективы развития энергетики в ближайшем будущем.

В России отмечается рост внимания к ВИЭ, о чём свидетельствуют подписанные указ Президента РФ "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики" [11] и 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" [12]. Планируется увеличить долю ВИЭ (кроме ГЭС мощностью свыше 25 МВт) до 2,5% к 2015-му и до 4,5% к 2020-му годам.

Лидерами по производству солнечного электричества, являются Испания, Германия и США. В России же пока реализуются локальные, небольшие проекты. Большинство фотоэлектрических систем и солнечных водонагревательных установок расположены в Краснодарском крае. Такие системы есть в Бурятии и Ростовской области. Несмотря на утверждения о том, что в странах, лежащих севернее 45 ° с. ш. солнечная установка не окупается в течение 30 лет, Германия, находящаяся на широте 45 ° - 55 является одним из мировых лидеров в области солнечной энергетики. Краснодарский край же и большая часть Южной Сибири (рисунок В.1 [13]) по инсоляции (4,0 - 4,5 кВт ч/м2 в день) сравнимы с югом Франции и центральной частью Италии, где солнечная энергетика очень широко развивается. Наиболее выгодно применение солнечных установок в южных и юго-восточных регионах России.

гоэо<о 5сботовсео!ос но5 чо 1 за чс 1ю 1го 1«

С Е В Е Р н ы й л ь; ДО В II т ы й о к к л и

Рисунок В.1 - Карта инсоляции России

В современном мире происходит постепенное уменьшение стоимости преобразования СЭ. Это связано прежде всего со снижением затрат на производство и увеличением его объёмов, а также повышением эффективности работы самих солнечных энергоустановок.

Актуальность темы.

Преобразование СЭ в теплоту и электричество является актуальным, прежде всего для автономных потребителей [14,15]. Экономически же обоснованным является строительство станции для энергоснабжения потребителей, удалённых от электрических сетей более чем на 50 км [16].

Одним из методов преобразования СЭ в электрическую является метод прямого преобразования с помощью планарных и матричных солнечных модулей (ПСМ и МСМ). В

солнечной энергетике, при использовании ПСМ и МСМ, выделяются два направления -фотоэлектрическое преобразование неконцентрированного и концентрированного солнечного излучения (СИ), которые являются перспективными для создания солнечных станций [17,18]. Созданы фотоэлектрические модули с КПД 28 %, в том числе каскадные гетероструктуры на основе арсенида галлия с КПД до 42 % [19, 20].

Существует два направления снижения стоимости солнечных фотоэлектрических станций: улучшение технико-экономических характеристик ПСМ и создание станций с концентраторами [17, 19 - 24]. Применение концентраторов позволяет уменьшить количество полупроводникового материала, а использование их совместно с системой слежения за Солнцем является одним из способов повышения эффективности установок. Основными особенностями МСМ, разработанных в ГНУ ВИЭСХ, является возможность их использования при высоких концентрациях СИ, при котором наблюдается и увеличение КПД. При использовании подобных систем возможно создание комбинированной установки для производства электричества и тепла.

В развитие отечественной и мировой гелиотехники и фотоэлектрического преобразования СЭ внесли большой вклад такие учёные, как Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Апариси В.А., Арбузов Ю.Д., Баранов В.К., Баум В.А., Вавилов B.C., Васильев A.M., Вершинин B.C., Вейнберг В.Б., Виссарионов В.И., Грилихес В.А., Евдокимов В.М., Заддэ В.В., Захидов P.A., Каган М.Б., Колтун М.М., Кондратьев К.Я., Ландау Л.Д., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С., Майоров В.А., Персиц И.С., Пивоварова З.И., Полисан A.A., Потапов В.Н., Рябиков C.B., Селиванов Н.П., Стребков Д.С., Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Трушевский С.Н., Тюхов И.И., Унишков В.Л., Харченко В.В., а также такие зарубежные учёные, как Бекман У., Даффи Дж., Антонио Луки, Клейн С., Колларес - Перейра М., Лю Б., Джордан Р., Холландс К., Уинстон Р., Сэтер Б., Шокли В. и ряд других выдающихся учёных.

В современном мире, основываясь на материалах конференций и симпозиумов в области солнечной энергетики, видна тенденция развития и глубоких исследований солнечных установок на основе планарных солнечных модулей, способных одновременно производить тепловую и электроэнергию. Одновременно с этим исследуются, и уже работают много лет солнечные теплофотоэлектрические установки с концентраторами различных типов. Исходя из этого, появилась потребность в создании теплофотоэлектрической солнечной установки с концентратором параболоидного типа для электротеплоснабжения.

Целью работы является разработка, изготовление и испытание в натурных условиях солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентраторами параболоидного типа и различными приёмниками солнечного излучения.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Рассмотрение состояния современного использования концентрированного солнечного излучения в солнечных энергетических установках с различными типами фотоприёмников;

2. Создание методики расчёта и проведение расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхности различных фотоприёмников.

3. Разработка технологии и способа изготовления концентратора солнечного излучения параболоидного типа с необходимым распределением освещённости в фокальной области, а также расчёт геометрии фацет этих концентраторов и предложение технологии их изготовления; на основании расчётных данных изготовление и исследование экспериментальных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с теплофотоэлектрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стерлинга;

4. Создание алгоритма и методики расчёта теплового режима работы водяного радиатора матричных солнечных модулей в программном комплексе Ашуэ и моделирования тепловых режимов работы фотоприёмника когенерационного солнечного модуля; обеспечение нанесения тонкого теплопроводного слоя диэлектрика (изолятора) между радиатором и матричными солнечными модулями;

5. Разработка методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях; исследование экспериментальных вольт-амперных характеристик матричных солнечных модулей и планарных солнечных модулей при концентрированном солнечном излучении с воздушным и водяным охлаждениями, исследование экспериментальных тепловых характеристик солнечного теплофотоэлектрического модуля и солнечного модуля с двигателем Стерлинга; сравнительный анализ выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными преобразователями солнечной энергии;

6. Предложение перспективных областей применения теплофотоэлектрических установок и технико-экономическое обоснование использования разработанных солнечных теплофотоэлектрических модулей для теплоэлектроснабжения.

Научная новизна работы состоит в:

1. Разработке методики расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхностям различных фотоприёмников;

2. Создании методики расчёта фацет концентратора параболоидного типа и способе его изготовления;

3. Разработке методики моделирования теплового режима работы радиатора фотоэлектрического приёмника в программном комплексе Ашуэ;

4. Применении способа нанесения тонкого теплопроводящего диффузионного слоя диэлектрика на поверхность радиатора для фотоэлектрических элементов методом микродугового оксидирования;

5. Изготовлении и исследовании экспериментальных образцов солнечных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с цилиндрическим теплофотоэлектрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стирлинга;

6. Создании методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях.

Практическая ценность работы.

Материалы диссертационной работы, представленные ниже, используются в разработках солнечных энергетических установок на базе концентраторов параболоидного типа с матричными и планарными солнечными модулями, а также тепловыми фотоприёмниками.

1. Методика и алгоритм расчёта профиля концентратора параболоидного типа с заданной освещённостью в фокальной области для использования с различными фотоприёмниками позволяют рассчитывать распределение концентрированного солнечного излучения по поверхности фотоприёмника в зависимости от свойств самого приёмника.

2. Методика и алгоритм расчёта фацет для изготовления концентратора параболоидного типа с заданным профилем и размерами позволяют рассчитывать и изготавливать фацеты для его изготовления с рассчитанным распределением концентрированной освещённости и заданными размерами.

3. Методика и алгоритм расчёта в программном комплексе Ашув теплового состояния водяного радиатора фотоэлектрического приёмника солнечного концентраторного модуля позволяет рассчитывать и визуализировать тепловое состояние, течения, распределение температур и т.д. любого приёмника солнечного излучения.

Разработанный и изготовленный макет с концентратором параболоидного типа и теплофоэлектрическим приёмником с матричными солнечными модулями и водяным радиатором позволяет получать электричество, пригодное для дальнейшего использования в инверторах и аккумуляторных батареях. Наряду с электричеством потребитель получает тёплую воду с температурой 25 - 60 °С и более в зависимости от расхода теплоносителя. Разработанный и изготовленный макет с концентратором параболоидного типа и тепловым приёмником в виде горячего цилиндра двигателя Стирлинга УДС - 1 позволяет получать механическую энергию и преобразовывать её в электрическую. Наряду с механической или

электроэнергией потребитель получает тёплую воду с температурой 25 - 45 °С в зависимости от расхода теплоносителя. Рассчитанные концентраторы модулей позволяют получать требуемое распределение концентрированного солнечного излучения по поверхности фотоприёмников.

Представленные выше методики и изготовленные макеты внедрены в учебный процесс и производственную практику различных организаций, что подтверждено соответствующими актами о внедрениях: ФГБОУ "Астраханский государственный университет" направление подготовки "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" по дисциплине "Альтернативная энергетика", г. Астрахань; ФГУП экспериментальный завод "Александровский" Россельхозакадемии, г. Александров; Промышленное предприятие ОАО "АлМет" г. Ульяновск, специализирующееся на производстве спутниковых антенн; Предприятие ООО "Энерготехнологии" г. Краснодар, специализирующееся на производстве солнечных модулей и коллекторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа с различными фотоприёмниками позволяет рассчитывать конструктивные параметры разрабатываемого солнечного модуля с заданным профилем распределения освещённости по поверхности фотоприёмника сложной формы;

2. Расчёт фацет для изготовления концентратора параболоидного типа, разработка технологии его изготовления и конструкции модулей с концентраторами параболоидного типа с цилиндрическим теплофотоэлектрическим приёмником с матричными и планарными солнечными модулями и тепловым приёмником в виде двигателя Стерлинга позволяют изготавливать разработанные солнечные модули в лабораторных условиях;

3. Методика моделирования теплового режима радиатора фотоэлектрического приёмника концентраторного солнечного модуля позволяет оценивать, прогнозировать и визуализировать тепловое состояние фотоприёмников солнечного излучения;

4. Разработанная методика проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях позволяет исследовать тепловые и фотоэлектрические характеристики модулей с концентраторами параболоидного типа при воздушном и водяном охлаждениях фотоприёмников;

5. Предложены перспективные области применения теплофотоэлектрических установок с концентраторами параболоидного типа и технико-экономическое обоснование использования разработанных солнечных теплофотоэлектрических модулей для теплоэлектроснабжения.

Достоверность научных результатов, теоретических исследований и основных выводов подтверждена совпадением аналитических данных с данными испытаний солнечных теплофотоэлектрических модулей, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы.

Выступления с результатами исследований по теме диссертации на заседаниях секций Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (2009 - 2013 г. г.), а также на конференциях, семинарах научных учреждений и участие в выставках:

- на 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ГНУ ВИЭСХ, 18-19 мая 2010 г. и 16 мая 2012 г.; на конференции "Электрификация, энергообеспечение, электромеханизация и автоматизация в сельском хозяйстве", 13 декабря 2011 г.

- на Международной научной сессии "Инновационные проекты в области агроинженерии" и научно-практической конференции "Инновационные и энергосберегающие технологии в АПК", МГАУ им. В.П.Горячкина, 6 октября 2011 г. и 27 марта 2012 г.

- на семинаре в Крокус Экспо "Энергетика Будущего", конференции "Малая и возобновляемая энергетика, энергосберегающие технологии и методы передачи электроэнергии", 18 ноября 2011 г.

- на международной конференции в рамках стажировки International Programme on Solar Energy Technologies and Applications at the Solar Energy Centre, Индия, г. Дели, 1 декабря 2011 г.

- на IX-й Международной ежегодной конференции "Возобновляемая и малая энергетика - 2012", Конгресс-Центр Экспоцентра, 14 июня 2012 г.

- на Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве", РУП "Научно - практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства", Республика Беларусь, г. Минск, 10-11 октября 2012 г.

- на Российской агропромышленной выставке "Золотая осень", Москва, ВВЦ, 11-14 октября 2012 г.

- на Восьмой Всероссийской научной молодёжной школе с международным участием "Возобновляемые источники энергии", МГУ им. М.В. Ломоносова, 20 - 23 ноября 2012 г., где получен диплом победителя конкурса работ молодых учёных.

- на 6-м Международном форуме по интеллектуальной собственности Expopriority 2012, ЦВК "Экспоцентр", Москва, 28 - 30 ноября, 2012 г.

- на выставке Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века. 28-я выставка "Национальная Слава" и конкурс. Продукция машиностроительных, приборостроительных предприятий, Москва, 16-19 декабря 2012 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ в центральной печати, из которых 9 в рекомендованных ВАК изданиях и 3 по материалам конференций, вынесено 1 решение о выдаче патента.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения; изложена на 172 страницах машинописного текста (в том числе четыре приложения на 35 страницах), иллюстрированных 142 рисунками и 28 таблицами; список литературы включает 153 наименования (в том числе 30 на иностранных языках).

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

В первой главе проведён обзор состояния современного использования концентрированного солнечного излучения в солнечных энергетических установках; рассмотрены методы изготовления параболоидных концентраторов, способы охлаждения фотоприёмников, а также различные термодинамические преобразователи солнечной энергии и проведён их сравнительный анализ.

Во второй главе предложены конструкции солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и различными фотоприёмниками; разработаны методики расчёта профиля концентраторов параболоидного типа для солнечных установок с необходимым распределением освещённости по поверхности различных фотоприёмников. Создан алгоритм и методика расчёта теплового режима работы водяного радиатора для матричных солнечных модулей в программном комплексе Ansys и проведено моделирование тепловых режимов работы фотоприёмника когенерационной солнечной установки. Рассмотрены различные конструкции радиаторов с водяным охлаждением. Полученные результаты позволяют оптимизировать параметры конструкции теплофотоэлектрического модуля.

В третьей главе рассмотрена технология изготовления концентратора параболоидного типа; разработан радиатор водяного охлаждения с поверхностным слоем, обеспечивающим большую теплопроводность и электроизоляцию фотоэлектрических преобразователей. Исследованы фотоэлектрические и тепловые характеристики солнечного теплофотоэлектрического модуля при различных условиях освещённости и охлаждения. Также исследованы тепловые режимы работы двигателя Стерлинга с воздушным и водяным

охлаждениями совместно с параболоидным концентратором производства ОАО АлМет; приведены результаты натурных испытаний с изготовленными концентраторами параболоидного типа и двигателем Стерлинга.

В четвёртой главе предложены варианты использования солнечной теплофотоэлектрической установки для питания автономных объектов, не имеющих централизованного электроснабжения и питающихся от местных дизель-генераторных установок; для питания электрических изгородей и различных электроприборов при отгонном животноводстве; для питания биогазовой установки электрической и тепловой энергией. Рассчитаны ориентировочная стоимость теплофотоэлектрического модуля и стоимость его установленной мощности. Рассчитан срок окупаемости и экономический эффект от применения установки для получения тёплой воды и электроэнергии вместо дублирующих источников, таких как газ, дизельное топливо и электрическая энергия.

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Панченко, Владимир Анатольевич

Выводы по главе 3

1. Разработана технология изготовления концентраторов параболоидного типа и созданы три концентратора на основе этой технологии. С целью изготовления фацет для концентраторов проведены расчёты профиля концентратора в Microsoft Excel, создан чертёж профиля в среде AutoCad, в SolidWoks создана трёхмерная модель лепестка, а выкройка лепестка выведена на печать в Forming Suite. Из рассчитанных и изготовленных фацет собраны три концентратора параболоидного типа для двух солнечных модулей с различными необходимыми распределениями концентрированного солнечного излучения в фокальной области.

2. Рассчитан и изготовлен радиатор водяного охлаждения с посадочной поверхностью для фотоэлектрических элементов, имеющей большую теплопроводность и одновременно являющейся диэлектриком. Таких свойств удалось добиться благодаря применению метода микродугового оксидирования.

3. Проведены исследования фотоэлектрических характеристик теплофотоэлектрического солнечного модуля при натурных испытаниях и различных условиях освещения и охлаждения. На основании проведённых исследований показано, что планарные солнечные модули всех типов снижают КПД при технологической обработке, а также при концентрации и при недостаточном охлаждении. Электрический КПД солнечного модуля при работе с концентратором и матричными солнечными модулями без учёта оптических потерь увеличивается с 9,5 % (естественное освещение) до 12,3 % (при концентрации). С учётом оптических потерь и г]опт = 0,65 КПД = 7,4 %, при г/опт = 0,8 КПД фотоэлектрического преобразования модуля составляет 9,9 % , что говорит о целесообразности применения матричных солнечных модулей в составе теплофотоэлектрической установки с концентраторами параболоидного типа.

4. Средняя концентрация освещённости по боковой поверхности теплофотоэлектрического приёмника составила около 7 крат. Концентрация по торцевой поверхности теплофотоэлектрического приёмника составила 20 - 25 крат. Проведены исследования тепловых характеристик теплофотоэлектрического солнечного модуля при натурных испытаниях. Оптимальным оказался расход воды 0,5 л/мин, а температура воды на выходе составила 38 °С.

5. Исследованы тепловые режимы работы двигателя Стерлинга с воздушным и водяным охлаждениями совместно с параболоидным концентратором производства ОАО АлМет. Проведены натурные испытания и исследования тепловых характеристик солнечного модуля с тремя изготовленными концентраторами параболоидного типа совместно с двигателем Стерлинга при различных условиях концентрации и охлаждения. Применение разработанных концентраторов параболоидного типа в сравнении с параболоидными концентраторами производства ОАО АлМет снижает начальную температуру работы двигателя Стерлинга в два раза (с 400 °С до 200 °С), что говорит о более равномерном прогреве фотоприёмника двигателя Стерлинга. Распределение освещённости по торцевой и боковой поверхности цилиндра позволяет нагреть наиболее эффективную площадь горячего цилиндра двигателя Стерлинга. Температура воды на выходе из радиатора двигателя составила 37 - 40 °С.

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕХНИКО

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ

ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА

В современном мире большое внимание уделяется экологии и соответственно энергию необходимо получать из возобновляемых источников. Вопрос технико-экономического обоснования целесообразности солнечных установок в развитых странах является важным предметом исследований.

В настоящее время в удалённых от энергосетей регионах России (свыше 70 % территории) стоимость топлива выше из-за транспортных расходов и потерь топлива при этой транспортировке. Применение солнечных теплофотоэлектрических установок для теплоэлектроснабжения сельскохозяйственных объектов согласуется с энергетической стратегией сельского хозяйства России до 2020 года [135], согласно которой планируется обеспечить до 10 % потребностей сельского хозяйства в электроэнергии за счёт солнечных установок.

4.1 Исследование областей применения солнечных энергетических установок комбинированного типа

Исследованные в диссертационной работе теплофотоэлектрические модули могут входить в состав установок, которые можно не только использовать по отдельности, но и на их базе строить крупные станции. В этом случае снижается стоимость ССС, систем отвода тепловой энергии и управления. В качестве возможных областей применения подобных установок можно выделить:

Объекты, не имеющие централизованного электроснабжения и питающиеся от дизель-генераторов Приход прямой составляющей СЭ на нормально ориентированную у поверхность для Краснодарского края составляет 4,01 кВт-ч/(м день) [136]. Один модуль с концентратором площадью 1 м2, разработанной фотоэлектрической установки в течение года произведёт:

W3Jl = 365• (W^-Пфэ - Рссс) (кВт-ч/год) (4.1) fTmen = 365 Wà„r/me„, (4.2) где W3JI и Wmen - количество произведенной электрической и тепловой энергий; WàH -среднесуточный приход прямого СИ, Вт-ч/м ; г\фэ и г\т - КПД получения электричества и тепла; Рссс - средняя потребляемая мощность системы слежения, Вт-ч /день;

W3J1 = 365 • (4010 • 0,123 - 15) = 174554 Вт-ч/год = 175 кВт-ч/год электроэнергии.

Wmen - 365 • 4010 • 0,5 = 731825 Вт-ч/год = 732 кВт-ч/год тепловой энергии.

Тогда выработка тепловой энергии изготовленным теплофотоэлектрическим модулем с концентратором площадью 0,8 м2 составит:

Wmen =586 КВТ-Ч/ГОД.

Выработка электрической энергии изготовленным фотоэлектрическим модулем в составе теплофотоэлектрического модуля с площадью концентратора 0,28 м2 составит:

W3jl = 49 кВт-ч/год.

Потребление электроэнергии для первого уровня бытовой нагрузки села на семью [137] составляет 708 кВт-ч/год. Для электроснабжения дома необходима установка, состоящая из п-то количества модулей: п = ШгЫ/Шэл-к, (4.3) где к - коэффициент запаса мощности. п = 708/49 • 1,2 = 17, т. е. 17 модулей для теплофотоэлектрической установки.

Для питания 3-х соседних сельских домов достаточно электроэнергии, производимой двумя теплофотоэлектрическими станциями, состоящими из 56 модулей, каждые 28 модулей которых установлены на одной несущей раме с двухкоординатным следящим устройством ED-2000dual. Также потребители получают 586 кВт-ч/год х 56 мод. = 32816 кВт-ч/год тепловой энергии.

Использование установки при отгонном животноводстве. Существует необходимость в автономном источнике питания, который не требует горючего топлива и обеспечивает пастухов и стадо энергией. При отгонном животноводстве потребление электрической энергии приходится на быт, водоподъём из скважин и колодцев, а также производственные процессы [138, 139] (таблица 4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Обосновано эффективное использование концентраторов параболоидного типа совместно с матричными солнечными модулями. Предложенная методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа фотоэлектрического модуля обеспечивает необходимое распределение концентрированного солнечного излучения на поверхности цилиндрического фотоприёмника, состоящего из:

- теплофотоэлектрического приёмника с достаточно равномерным распределением освещённости на фотоэлектрической и тепловой частях приёмника;

- горячего цилиндра двигателя Стерлинга, что обеспечивает распределение освещенности в наиболее его эффективной части;

Создана методика и проведён расчёт тепловых параметров радиатора фотоэлектрических элементов в программной среде Ашуз. Полученные результаты позволяют оптимизировать параметры конструкции теплофотоэлектрического модуля и самого фотоприёмника.

2. Разработанная технология изготовления концентратора параболоидного типа позволяет изготавливать фацеты концентратора с помощью созданного алгоритма. Из рассчитанных фацет изготовлены три концентратора параболоидного типа с различными распределениями освещённости в фокальной области.

3. Разработан фотоприёмник с пленарными и матричными солнечными модулями. Метод микродугового оксидирования хорошо зарекомендовал себя в качестве способа качественной организации теплоотвода от фотоэлектрических элементов. Разработан радиатор водяного охлаждения для фотоэлектрических элементов с теплопроводящим и электроизоляционным слоем, полученным благодаря применению метода микродугового оксидирования.

4. На основании проведённых натурных исследований солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа по разработанной методике при различных условиях освещения и охлаждения показано, что КПД модуля при работе с концентратором и матричными солнечными модулями без учёта оптических потерь увеличивается с 9,5 % до 12,3 %. С учетом г}опт = 0,65 КПД = 7,4 %, а при цопт = 0,8 КПД модуля повышается до 9,9% , что подтверждает целесообразность применения матричных солнечных модулей в составе теплофотоэлектрической установки с концентраторами параболоидного типа. Средняя концентрация по боковой поверхности фотоэлектрического приёмника составила около 7 крат. Концентрация по торцевой поверхности приёмника составила 20 - 25 крат. При расходах воды 0,5 - 1,5 л/мин температура воды на выходе составила 38 - 42 °С. В зависимости от расхода возможно регулирование температурой воды на выходе.

5. Применение разработанных концентраторов параболоидного типа в сравнении с параболоидными концентраторами производства ОАО АлМет снижает начальную температуру работы двигателя Стирлинга в два раза (с 400 °С до 200 °С), что говорит о более равномерном прогреве рабочего тела двигателя Стирлинга. Возможно получение воды на выходе с температурой 40 °С и более в зависимости от расхода теплоносителя. Модуль с двигателем Стирлинга с КПД 30 % в качестве преобразователя солнечной энергии в электрическую эффективнее в 1,5 - 2 раза, чем применение солнечных модулей с фотоэлектрическими преобразователями с КПД 15 %, работающими с системой слежения за Солнцем, и в 2,5 - 3 раза эффективнее солнечного модуля с фотоэлектрическими преобразователями с КПД 15 %, работающими стационарно.

6. Для электроснабжения 3-х соседних сельских домов предложено использовать две теплофотоэлектрические станции, состоящие из 56 модулей. Для отгонного животноводства с размером отары овец 600 голов необходимо применение установки с 14 модулями и выработкой в среднем 700 кВт-ч/год электроэнергии и 8200 кВт-ч/год тепловой энергии. Для теплоэлектроснабжения биогазовой установки с объёмом реактора 10 м3 необходимы две установки по 28 теплофотоэлектрических модулей каждая.

7. Ориентировочная стоимость солнечного теплофотоэлектрического модуля с о концентратором (0,785 м ) составляет 3540 руб, а модуля без догревающего концентратора (0,28 м ) - 2024 руб. Стоимость электрической и тепловой мощности с учётом стоимости системы слежения за Солнцем наименьшая у установки с одним большим концентратором у размером с раму системы слежения за Солнцем (20 м ) и теплофотоэлектрическим приёмником - 116,5 руб. (3,9 $)/Вт и 10,4 руб. (0,35 $)/Вт соответственно. При использовании только фотоэлектрического приёмника, стоимость электрической мощности с учётом стоимости системы слежения за Солнцем составит 90,7 руб. (3 $)/Вт и без её учёта - 39,9 руб. (1,3 $)/Вт. Солнечная установка, состоящая из пяти теплофотоэлектрических модулей, окупится после 4-х лет использования при 50%-ом замещении тепло- и электроэнергии от электричества и через 8 лет при 50%-ом замещении тепло- и электроэнергии от дизельного топлива.

При использовании концентраторного теплофотоэлектрического солнечного модуля следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния солнечного качества; наряду с электроэнергией потребитель получает и тепловую энергию; повышение выработки электроэнергии за счёт использования системы слежения за Солнцем; при промышленном изготовлении разработанных модулей с использованием матричных фотопреобразователей с

КПД более 15 % стоимость установленной электрической мощности меньше стоимости установленной мощности планарных солнечных модулей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Панченко, Владимир Анатольевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Башмакова И. А. Энергетика мира: уроки будущего. - М.: МТЭА, 1992. С. 355-380.

2. Стребков Д.С., Муругов В.П. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии // Вестник сельскохозяйственных наук. - М.: Агропромиздат, 1991. № 2. С. 117-125.

3. Скинер Б. Хватит ли человечеству земных ресурсов. Перевод с английского. - М.: Мир, 1989. 264 с.

4. Циолковский К.Э. Будущее Земли и человечества. Издание автора. - Калуга, 1928. 28

с.

5. Безруких П.П., Сокольский А.К., Харитонов В.П. Системы гарантированного электроснабжения автономных потребителей на основе возобновляемых источников энергии // Труды 3-й международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве". Нетрадиционные источники энергии. Вторичные энергоресурсы. Экология. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. Ч. 4. С. 3-8.

6. Алексеев В.В., Рустамов H.A., Чекарев К.В., Ковешников Л.А. Перспективы развития альтернативной энергетики и её воздействие на окружающую среду. Москва - Кацивели: МГУ имени М.В. Ломоносова, HAH Украины, Морской гидрофизический институт, 1999. С. 92-129.

7. Волков Э.П. Прогноз развития нетрадиционной энергетики в начале XXI века по данным конгресса мирового энергетического совета // Теплотехника. 1993. № 6. С. 28-34.

8. Праведников Н.К. Об энергетике завтрашнего дня // Теплоэнергетика. 1993. № 6. С. 811.

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

10. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Задиранов Ю.М. и др. Пути использования солнечной энергии // Тезисы докладов конференции ИХФ АН СССР. Черноголовка, 1981. С. 10-11.

11. Официальный сайт министерства энергетики РФ. URL: http://www.mineiiergo.gov.ru (дата обращения: 17.10.2009).

12. 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". URL: http://www.zaki.ru/pagesnew.php7icN65305 (дата обращения: 17.10.2009).

13. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселёва C.B., Терехова E.H. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. - М.: ОИВТ РАН, 2010. 86 с.

14. Шпилько A.B. и др. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства. -М.: Россельхозакадемия, 2001. С. 18.

15. Безруких П.П., Стребков Д.С., Беленов А.Т., Тверьянович Э.В. Фотоэлектрическая станция с концентраторами мощностью 1 кВт // Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве. Труды 3-й Международной научно-технической конференции. Нетрадиционные источники энергии. Вторичные энергоресурсы. Экология. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. Ч. 4. С. 78-84.

16. Безруких П.П., Котов В.Г., Цецерин Ю.А., Молчанов O.J1., Стребков Д.С., Пинов А.Б. Программа "Энергообеспечение северных территорий на 1996-2000 годы" // Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России, 31.05 - 4.06. 1999, г. Москва, Россия. Материалы конгресса. - М.: Интерсоларцентр, 1999.

17. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - JL: Наука, 1989. 310 с.

18. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. Радио, 1971.246 с.

19. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Милованов А.Ф., Рябиков C.B., Стребков Д.С., Унишков В.А. Фотоэлектрические преобразователи концентрированного солнечного излучения, теория и эксперимент // Тезисы и доклады Всесоюзной конференции "Использование солнечной энергии". - Ашхабад: Ылым, 1983. Ч. 2. С. 3-12.

20. Колтун М.М., Полисан A.A., Шуров К.А. и др. Солнечные элементы и батареи // Итоги науки и техники. - М.: ВНИИТИ, 1989. Т.9.

21. Кивалов С.Н. Исследование стационарных призматических концентраторов для фотоэлектрических модулей: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / ГНУ ВИЭСХ. - М., 2000. С. 30-36.

22. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров В.А., Сизова Н.Д., Ясайтис Д.Ю. Разработка фотоэлектрических модулей с параболоторическими концентраторами и кремниевыми фотопреобразователями // Гелиотехника. 1996. № 4.

23. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Принципы и перспективы фотоэлектрического преобразования энергии концентрированного солнечного излучения // Гелиотехника. 1993. № 1. С. 3-12.

24. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Стребков Д.С.. Развитие фотоэлектрической энергетики // Источники тока. Обзор Информ. 1988. № 11. С. 1-52.

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

26. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

208 с.

27. Пинов А.Б. Программа США "Миллион солнечных крыш" // Возобновляемая энергетика, 1998. № 4. С. 7-10.

28. Муругов В.П., Мартиросов С.Н. Солнечное электричество с 1000 крыш в Германии // Возобновляемая энергия, 1998. № 4. С. 3-6.

29. Скоков Ю.В., Закс М.Б. и др. // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по возобновляемым источникам энергии. Черноголовка, 1985. Т. 2. С. 40-41.

30. Разгоняев Ю.В., Нагайкин А.С. Результаты натурных испытаний фотоэлектрической станции микрорайона "Солнечный" // Гелиотехника. 1991. № 2. С. 33-37.

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

32. Mukai Tomotsu. Japanese Sunshine Project: Solar Photovoltaic Program // 1st Photovolt. Sci. And Eng. Conf. Kobe. Tokio. 1984. P. 13-16.

33. Hamakawa Josnihiro. Solar Photovoltaic - recent progress and its new role // Optoelectron. Devices and Technol. 1990. № 2. P. 113-125.

34. Милне А., Фоихт Д. Гетеропереходы и переходы металлополупроводников. - М.: Мир, 1975. С. 142-165.

35. Helmut M. da Silva, Olga С. Vilela, Naum Fraidenraich and Nelson Veissid. Analysis of a multijunction solar cell operating under natural conditions // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

36. Савченко И.Г., Тарнижевский Б.В. Определение нормального уровня концентрации солнечного излучения для фотобатарей при различных способах их охлаждения // Гелиотехника. 1972. № 4. С. 20-23.

37. Dang A. Concentrators: a review // Energy conversion and management. 1986. № 26. P.

11-26.

38. Литвинов П.П. Исследование и разработка стационарных составных параболоцилиндрических концентраторов для фотоэлектрических и тепловых преобразователей солнечной энергии: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / ГНУ ВИЭСХ. - М., 2004. С. 13-15.

39. Yoshishige Kemmoku, Shinichi Оке and Kenji Araki. Long-term perfomance estimation of a 500X concentrator photovoltaic system // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

40. Yi-Cheng Chen, Wan-Yi Hsu, Yu-Hsuan Lin and Chia-Hsun Su. Parametric study of solar concentrator composed of a flat fresnel lens and a reflective secondary optical element // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

41. Jochen Ackermann, Peter Battenhausenl and Uwe Loffler. Reliability of PMMA in CPV lens applications // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

57. Митина И.В. Повышение эффективности солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / ГНУ ВИЭСХ. - М., 2009. С. 81-92.

58. Стребков Д.С., Трушевский С.Н., Митина И.В. Расчёт оптического КПД модулей с двусторонними фотоэлементами и концентраторами солнечной энергии // Труды 6-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве". Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. Ч. 4. С. 203-212.

59. Трушевский С.Н., Митина И.В. Методика расчёта коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков // Гелиотехника. 2007. № 2. С. 36-41.

60. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007. С. 115-118.

61. Захидов P.A., Огнева Г.А., Клычев Ш.И., Вайнер A.A., Хожаев А.Ш. Исследование энергетических характеристик параболоторических фоконов // Гелиотехника. 1977. № 3. С. 3033.

62. Вейнберг Б.П. Солнечные двигатели, перспективы гелиотехники // Вестник знания. 1928. №4. С. 206-220.

63. Вейнберг В.Б. Оптика в установках для использования солнечной энергии. - JL: Оборонгиз, 1959.

64. Набиулин Ф.Х., Бузова З.М, Заславская Г.С., Петрова Н.П., Кутловская Н.Ф. Метод гальванопластики в изготовлении параболических концентраторов // В кн.: Концентраторы солнечной энергии. - JL: Энергия, 1972. С. 19-23.

65. A.c. СССР № 209674. Способ изготовления концентрирующих зеркал / Набиуллин Ф.Х., Сладков М.С., Тверьянович Э.В., Тарнижевский Б.В. // БИ. 1968. № 5.

66. A.c. СССР № 1250792. Матрица для изготовления фацет концентратора солнечной энергии методом моллирования стекла / Ростокинский В.В., Тверьянович Э.В., Шекоян М.Г., Вартанян A.B., Мадейян К.Ф., Афян В.В. // БИ. 1986. № 30.

67. Алексанян A.M., Афян В.В., Батикян Г.А., Вартанян A.B. Разработка крупногабаритных параболоидных фацетных концентраторов // Гелиотехника. 1988. № 3. С. 2428.

68. A.c. СССР № 684262. Оптический элемент / Тверьянович Э.В., Мадаев В.В., Сюлаев С.С., Корягин А.Н., Жуков К.В., Вартанян A.B. // БИ. 1979. № 33.

69. Abdulkadir A. Hassen and Demiss A. Amibe. Design, manufacture and experimental investigation of low cost parabolic solar cooker // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

70. Ajay Chandak, Sunil Somani and Anurag Chandak. Development Prince - 40 solar concentrator as do it yourself (DIY) kit // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

71. Javier Diz-Bugarinl. Design and construction of a low cost offset parabolic solar concentrator for solar cooking in rural areas// ISES Solar World Congress 2011, 28 Aug. - 2 Sept., Kassel, Germany.

72. Муминов P.A., Мухаммад 3., Кивалов H.K., Таджиев У.А., Турсунов М.Н. Исследование возможностей использования кремниевых солнечных элементов в условиях концентрированного до 100 крат излучения // Гелиотехника. 1996. № 3. С. 44-48.

73. Zakhidov R.A., Kivalov N.K., Tadjiev U.A. PV and thermal conversion of solar radiation concentrated up to 100 fold: development of monocristaline solar cells and heat-sink system // 7th Int. Conf. On Solar Energy at High Latitudes North Sun - 97. June 9-11, 1997. Fspoo - Otainemi, Finland.

74. Алимов A.K., Кулагин А.И. и др. Модуль фотоэлектрической установки на кремниевых фотоэлементах с концентраторами // Гелиотехника. 1986. № 4. С. 74-75.

75. Алфёров Ж.И., Андреев В.М. и др. Солнечная фотоэлектрическая установка мощностью 200 Вт на основе AlGaAs - гетерофотоэлементов и зеркальных концентраторов // Гелиотехника. 1981. № 6. С. 3-6.

76. Habtamu B.Madessa, Trygve Veslum, Jorgen Lovseth, Ole J.Nydal. Investigation of solar absorber for small scale solar concentrating parabolic dish // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

77. Atul A. Sagade, N.N.Shinde. Perfomance evaluation & analisys of low cost parabolic dish type solar collector for domestic & industrial heating application // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

78. Турсунбаев И.А. Термодинамическое преобразование солнечно-тепловой энергии на базе замкнутых циклов тепловых двигателей Стирлинга // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 4. С. 122-127.

79. Панченко В.А. Термодинамическое преобразование возобновляемой энергии посредством двигателя Стерлинга// Альтернативный киловатт. 2010. № 5. С. 20-30.

80. Ридер Г., Хупер. Ч. Двигатели Стирлинга. Перевод с английского. - М.: Мир, 1986. С. 309-311.

81. Панченко В.А. Применение различных рабочих тел в двигателе Стирлинга // Альтернативный киловатт. 2011. № 1. С. 40-42.

82. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. Перевод с английского. - М.: Энергия, 1978. С. 52-55.

83. Официальный сайт Национальной лаборатории Sandia. URL: http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2008/solargrid.html (дата обращения: 15.07.2010).

84. Официальный сайт ОАО "Алмет". URL: http://www.supral.ru/p0204.html (дата обращения: 18.10.2010).

85. Официальный сайт компании Alanod. URL: http://www.alanod-solar.com/opencms/opencms/Download/index.html (дата обращения: 18.10.2010).

86. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование концентраторной установки с матричными солнечными элементами // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 2. С. 14-16.

87. Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Титов Д.П. К вопросу о применении паропоршневых машин // Турбины и дизели. 2006. № 2. С. 16-22.

88. U.S. Patent № 1 061 206. Turbine. Nicola Tesla. - A.D. 1913.

89. U.S. Patent № 186 082. Improvements in the Construction of Steam and Gas Turbines. Nicola Tesla. - A.D. 1922.

90. Панченко В.А. Исследование беспоршневых тепловых двигателей для АПК // Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. Ч. 1. С. 400-406.

91. Панченко В.А. Турбина Тесла. Возможности и перспективы её применения // Альтернативный киловатт. 2010. № 6. С. 46-48.

92. A.c. СССР № 2258144. Многоступенчатая роторная машина / Шубладзе A.M., Гуляев C.B., Шубладзе A.A. // БИ. 2005. № 22.

93. Героторный преобразователь энергии. URL: http://www.ener-g-rotors.com (дата обращения: 04.03.2012).

94. Преобразователь тепла с турбиной в замкнутом цикле ORMAT. URL: http://www.ormat.com (дата обращения 04.03.2012).

95. Савченко И.Г., Смирнова А.Н., Тарнижевский Б.В. О температурном режиме фотоэлектрических генераторов с концентраторами солнечного излучения при воздушном охлаждении // Гелиотехника. 1968. № 4. С. 19-25.

96. Романкевич A.B., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Козлов А.И. Использование параболоторических фоконов в качестве концентраторов для солнечных батарей // Гелиотехника. 1989. № 6. С. 16-21.

97. Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. - М.: Машиностроение, 1988. 224 с.

98. Суминов И.В., Эпельфельд A.B., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. Микродуговое оксидирование. Теория, технология, оборудование. - М.: ЭКОМЕТ, 2005. С. 256259.

99. Суминов И.В. и др. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). - М.: Экомет, 2005. С. 7.

100. Суминов И.В. Микродуговое оксидирование (окончание) / Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Борисов A.M. и др. // Приборы, 2001. № 10. С. 26-36.

101. Саакиян Л.С. Применение поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов и покрытий для повышения коррозионно-механичёской стойкости деталей нефтегазопромыслового оборудования / Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Ропяк Л.Я., Эпельфельд А.В. -М.: ВНИИОЭНГ, 1986. 60 с.

102. А.с. СССР № 1179164. Устройство для испытания материалов при сложно-напряжённом состоянии в агрессивной среде / Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Бабей Ю.И., Стоцкий И.М., Ропяк Л.Я., Сидорук А.П. // БИ. 1985. № 34.

103. Саакиян Л.С. Установка для микроэлектрохимических исследований при коррозионной усталости металлов в газонасыщенных электролитах / Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Стоцкий И.М. и др. // Коррозия и защита окружающей среды (экспресс-информация ВНИИОЭНГ), 1984. № 5. С. 1-5.

104. Салтыков В.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. 374 с.

105. Yerokhin A.L., Voevodin А.А., lyubimov V.V., Zabinski J., Donley M. Plasma trolytic fabrication of oxide ceramic surface layers for tribotechnikal purposes on aluminium alloys // Surface and Coatings Technology, 1998. V. 110. № 3. P. 140-146.

106. Эпельфельд A.B. Тепловые и диэлектрические свойства электроизоляционных МДО-покрытий // Научные труды РГАЗУ. Инженерный факультет - агропромышленному комплексу, 2001. С. 191-192.

107. Erokhin A.L. Plasma electrolysis for surface engineering / A.L. Erokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, S.J. Dowey // Elsevier Science. Surface and Coatings Technology, 1999. V. 122. P. 73-93.

108. Chih-Kuang Lin, Yan-You Liu, Jiunn-Chi Wu, and Hwa-Yuh Shin. Analysis of structural deformation-induced sun tracking error in a 5-kW high concentrator photovoltaic system // ISES Solar World Congress 2011. 28 Aug. - 2 Sept.. Kassel, Germany.

109. 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, Orlando, Florida, August 6 - 12, 2005.

110. Пшеннов В.Б., Абасов Э.М. Определения оптимального шага слежения гелиоустановки за Солнцем // Возобновляемые источники энергии: материалы научной молодёжной школы с международным участием. - М.: Университетская книга, 2008. Ч. 2. С. 41-44.

111. Солнечный трекер двухкоординатный ED-2000dual. URL: http://www.energy-ds.ru/catalog/generating/solarenergy/suntracker/ed2000d.html (дата обращения: 06.09.2012).

ï

112. Актуаторы Venture. URL: http://www.wexon.ru/producers/Venture/Venture-850/ (дата обращения: 06.09.2012).

113. Актуаторы для солнечных панелей. URL: http://www.aktuator.ru/Industrial Actuator/01 US IOS .shtml (дата обращения: 06.09.2012).

114. Патент РФ № 2396493. Солнечная установка с концентратором / Стребков Д.С., Росс М.Ю., Джайлани А.Т., Митина И.В. // БИ. 2010. № 22.

115. А. с. СССР № 1794254. Концентратор солнечной энергии / Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас A.JL, Майоров В.А., Ясайтис Д-Ю.Ю. // БИ. 1991.

116. Баум И.В. Теория гелиотехнических концентраторов: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / Ашхабад, 1974. 174 с.

117. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №1/2. С. 35-39.

118. Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование параболоторического концентратора в установке с солнечными элементами // Материалы восьмой всероссийской научной молодёжной школы с международным участием. Возобновляемые источники энергии. 2012. С. 284-289.

119. Патент РФ на полезную модель № 128398. Теплофотоэлектрический модуль с концентратором солнечного излучения / Майоров В.А., Панченко В.А. // БИ. 2013. №. 14.

120. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. №5. С. 15-17.

121. Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечная установка с параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга // Техника в сельском хозяйстве. 2013. № 1. С. 14-16.

122. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный модуль с параболоторическим концентратором и фотоэлектрическим приёмником // Энергетик. 2013. № 5. с. 42-44.

123. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Перевод с английского. - М.: Атомиздат, 1979. 216 с.

124. Григорьев В.А., Зорин В.М. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. -М.: Энергоиздат, 1982. С. 157, 178.

125. Программная среда моделирования Ansys. URL: http://www.ansys.com (дата обращения 05.04.2011).

126. Панченко В.А., Майоров В.А. Изготовление и исследование составного параболоторического концентратора солнечного излучения для различных преобразователей

солнечной энергии // Труды 8-й Международной научно-технической конференции. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. Ч. 4. С. 89-94.

127. Патент РФ № 2336596. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты) / Стребков Д.С., Шеповалова О.В., Заддэ В.В. // БИ. 2008. № 29.

128. Стребков Д. С. Матричные солнечные элементы. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. Т. 3. 312

с.

129. U.S. Patent № 4516314. Method of making a nigh intensity solar cell. Sater D.L., 1985.

130. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А., Осьмаков М.И., Плохих С.А. Солнечная установка с матричными фотоэлементами и концентратором // Электро. 2013. № 2. С. 50-52.

131. Jochem Siemer, Beate Knoll. Still more than enough // Photon International, February 2013. №2. P. 72-73.

132. Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование тепловых режимов работы двигателя Стирлинга с параболоидным концентратором солнечного излучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2013. № 1. С. 28-29.

133. Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование характеристик солнечного концентратора в установке с двигателем Стирлинга // Энергетик. 2013. № 2. С. 40-42.

134. Майоров. В.А. Расчет и анализ энергетических характеристик солнечных батарей различных типов // Труды 7-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве". - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. Ч. 4. С. 96-100.

135. Лачуга Ю.Ф., Стребков Д.С. и др. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России за период до 2020. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 200. 64 с.

136. Atmospheric Science Data Center - URL: http://www.eosweb.larc.nasa.gov (дата обращения: 04.08.2011).

137. Практические рекомендации по определению удельных показателей энергозатрат и потребностей в топливно-энергетических ресурсах в социально-инженерной сфере села. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. 96 с.

138. Суюнчалиев P.C., Гурьянов В.А., Тургенбаев М.С. Перспективы применения возобновляемых источников энергии в пастбищном животноводстве // Труды 6-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве". Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. Ч. 4. С. 76-80.

139. Электроизгороди. URL: http://www.olli-ms.ru (дата обращения: 02.09.2011).

140. Веденев А.Г., Маслов А.Н. Строительство биогазовых установок. Краткое руководство, 2006. 28 с.

141. Официальный сайт компании Zorg Biogas. URL: http://www.zorg-biogas.com (дата обращения 02.09.2011).

142. Насонова Е.А. Рекомендации по определению энергетической и экономической эффективности гелиосистем теплоснабжения жилых и общественных зданий в Средней Азии. -Ташкент, 1986. 46 с.

143. Бекман У., Клейн С., Дж. Даффи. Расчёт систем солнечного теплоснабжения. - М.: Энергоиздат, 1982. 80 с.

144. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007. С. 295-296.

145. Тверьянович Э.В., Красина Е.А., Жуков К.В. Анализ технико-экономических перспектив использования различных типов концентраторов солнечного излучения в фотоэнергетике // Гелиотехника. 1987. № 5. С. 21-25.

146. Тверьянович Э.В., Красина Е.А., Романкевич A.B. Фотоэлектрические модули с концентраторами // Гелиотехника. 1990. № 2. С. 69-73.

147. Евдокимов В.М. Проблемы теории и перспективы повышения эффективности фотопреобразования. / Фотоприёмники и фотопреобразователи. Под редакцией Ж.И. Алферова. -Л.: Наука, 1986. С. 148-180.

148. Хайнрих Г., Найорк X., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. Перевод с немецкого. - М.: Стройиздат, 1985. 352 с.

149. Митина И.В. Повышение эффективности солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / ГНУ ВИЭСХ. - М., 2009. С. 112-122.

150. Шпилько A.B., Драгайцев В.И., Морозов Н.М., Кабанов П.Н., Миндрин A.C., Цой Л.М. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства. - М., 2001. 346 с.

151. Уваров В.В., Жабо В.В., Роганков М.П. Сельскохозяйственная теплоэнергетика и окружающая среда. - М.: Колос, 1984. С. 3.

152. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. Перевод с английского. -М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 28-29.

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

л

Рисунок П.А.5 - DesignModeler - открытие модели

6. Выбираем созданный ранее в SolidWorks файл с моделью - команда Generate, после чего появляется модель. Затем проект сохраняется - save project и закрываем DesignModeler (рисунок П.А.6).

7. В меню проекта запускаем построитель сеток (Meshing) - Mesh. Здесь необходимо задать методы разбивки и размер элементов. Для добавления метода разбивки или указания размера элементов необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши по пункту Mesh в левом меню и далее - insert или выбрать необходимый элемент из списка Mesh Control на верхней панели инструментов. После задания всех необходимых параметров - Generate Mesh. Получаем сетку, после чего - File - Save Project. После этого можно закрывать окно Meshing, (рисунок П.А.7)

8. Переходим к заданию граничных условий. Для этого запускаем CFX-Pre - Setup в окне проекта. В первую очередь необходимо объявить домены, т. е. области модели, имеющие различные физические свойства. В рассматриваемой задаче 5 доменов. Для добавления домена - Flow Analysis 1 в левом боковом меню, далее insert - domain, (рисунок П.А.8)

Рисунок П.А.6 - Сохранение проекта трёхмерной модели

Рисунок П.А.7 - Задание сетки конечных элементов трёхмерной модели

—■г——

Рисунок П.А.8 - Задание граничных условий

9. Домены 1, 2 и 3 - solid, задаётся материал алюминий; домен 4 - solid, любой пластик, домен 5 - fluid, вода. Для примера рассмотрим задание домена номер 5 - жидкости. Указываем имя домена (рисунок П.А.9).

"""' 21*1 Мм |FUdd0M№|

I * I а™1 I

Рисунок П.А.9 - Задание областей и имён различных доменов

10. Выбираем соответствующую область, указываем, что это сплошная жидкость (morphology - continuous fluid), выбираем материал (material - water) (рисунок П.А. 10).

Рисунок П.АЛО - Выбор области домена

11. На вкладке Fluid Models для параметра Heat transfer выбираем Option - Thermal Energy. Это означает, что жидкость теплопроводна (рисунок П.А.11).

Рисунок П.А.11 - Задание теплопроводности жидкости

12. Аналогично объявляются остальные домены с той разницей, что необходимо выбрать другие области, указать тип домена (твердое тело (solid) или жидкость (fluid)) и выбрать материал. Материалы можно добавлять из библиотеки (рисунок П.А.12).

Рисунок П.А.12 - Выбор материалов доменов

Тепловые режимы радиаторов, рассчитанные с помощью программной среды Апвув по

разработанной методике

Вариант конструкции радиатора №2

После начального варианта радиатора, рассмотренного во второй главе, рассмотрены оптимизированные конструкции (рисунки П.А.25.1 - П.А.25.11). Представлен радиатор с внутренней перегородкой в виде цилиндра для направления потока вдоль охлаждаемой поверхности. Радиатор имеет 4 впускных отверстий и одно большое выпускное, площадь которого равна площади впускных. Внутренняя перегородка находится на расстоянии большем, чем диаметр впускного отверстия (рисунок П.А.25.1 а). Расход воды 0.25 л/мин (рисунок П.А.25.1 б).

б)

Расстояние между внутренним цилиндром и стенкой радиатора равно диаметру впускного отверстия (рисунок П.А.25.3а). Представлены тепловые характеристики при расходе воды 1 л/мин (рисунок П.А.25.36) и 0,25 л/мин (рисунок П.А.25.3в).

А-А

«я—

в ' Ю'т-'жа

■■:::::::: ■:1..

40.5

ь

■ яте а»

ь

б)

а)

«Я.,

ь

ешя

¡¡а..

в)

X

твю

X

Диаметр впускных отверстий уменьшен и равен расстоянию между внутренним цилиндром и стенкой радиатора (рисунок П.А.25.6а). Представлены тепловые характеристики при расходе воды 0,5 л/мин (рисунок П.А.25.66) и 0,25 л/мин (рисунок П.А.25.6в).

А1_

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧУ

♦Л*

«Я8 »??

I'

ййЯЯ

№

я 1 ом«-оо1

и.

б)

_1А

А-А

в)

а)

ШВН

ЯЕЬ

I

1Юв»-001

ь.

«из

Г"

и.

¿ййзта

X

ДйЯЯВ

Л

Внутренняя перегородка дополнена верхней перегородкой с непосредственным выводом теплоносителя в выпускное отверстие и наружу (рисунок П.А.25.7а). Представлены тепловые характеристики при расходе воды 0,25 л/мин (рисунок П.А.25.76).

А1_

Ь.

_!А

а)

А-А

Ь.

Л

б)

Рисунок П.А.25.7 - Конструкция радиатора №8 (а) и режим его работы (б)

Количество впускных отверстий увеличено до восьми штук (рисунок П.А.25.9а). Представлены тепловые характеристики при расходе воды и 0,5 л/мин (рисунок П.А.25.96) и 0,25 л/мин (рисунок П.А.25.9в).

в)

А-А

Верхняя перегородка дополнена порогом для задержки потока у перегретой части радиатора и создания турбулентности для лучшего перемешивания теплоносителя (рисунок П.А.25.11а). Представлены тепловые характеристики при расходе воды 1 л/мин (рисунок П.А.25.116), 0,5 л/мин (рисунок П.А.25.11в) и 0,25 л/мин (рисунок П.А.25.11г).

г)

Рисунок П.А.25.11 - Конструкция радиатора №12 (а) и режим его работы (б, виг)