Повышение эффективности концентраторов солнечных энергетических установок с высоковольтными фотопреобразователями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российская академия сельскохозяйственных наук (РАСХН)

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Специальность 05.14.08 - энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение эффективности концентраторов солнечных энергетических установок с высоковольтными фотопреобразователями

Смирнов Александр Владимирович

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель:	кандидат технических наук, доцент
	Тюхов Игорь Иванович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор
	Виссарионов Владимир Иванович
	Кандидат технических наук,
	Майоров Владимир Александрович
Ведущая организация:	Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова, Географический факультет

Защита состоится «___» __________ 2010 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат разослан «___» __________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета , д.т.н. А. И. Некрасов

1. Общая характеристика диссертационной работы

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

Россия является крупнейшим государством мира, занимая по площади 11,46% суши, большинство населения которого проживает в городах. В тоже время существенная часть территории России является малозаселенной и передача электроэнергии по линиям электропередач в такие районы является крайне неэффективной. Это, прежде всего, Крайний Север, восточные регионы и горная местность. Для таких регионов уже сейчас вопрос использования собственных источников энергии, к которым относятся и ВЭИ является актуальным.

Наиболее распространенным и доступным ВИЭ является солнечная энергия (СЭ). СЭ, в настоящее время, используется для получения тепловой и электрической энергии в хозяйственных нуждах децентрализованных объектов, в большинстве относящихся к сельскому хозяйству. Установленная мощность фотоэлектрических систем в мире в 2008 г. достигла 14,2 ГВт. Лидерами, с точки зрения объемов потребления фотоэлектрической продукции, в 2008 году стали Испания (41.3%) и Германия (27.8%).

В России пока реализуются только локальные, небольшие по мощности, проекты в области солнечной энергетики. Однако, несмотря на существующее мнение о том, что в странах лежащих севернее 45° с.ш. солнечная установка не окупается даже в течение 20 лет. Германия, находящаяся в широтах 45°-55° с.ш., в зоне умеренно континентального климата, является одним из признанных мировых лидеров в области солнечной энергетики. В Южных регионах России, обладающих большими солнечными ресурсами, чем Германия, имеются хорошие предпосылки для развития солнечной энергетики.

Актуальность темы.

Основной проблемой, препятствующей ускоренному внедрению в наземную энергетику солнечных энергетических установок (СЭУ), является низкий КПД фотопреобразователей (ФЭП). Одним из вариантов решения этой проблемы является использование высоковольтных многопереходных ФЭП с вертикальным p-n переходом. К достоинствам высоковольтных ФЭП относится их способность работать при высоких концентрациях солнечного излучения, при этом наблюдается эффект увеличения КПД. Также к достоинствам высоковольтных ФЭП следует отнести, то, что они обладают низким последовательным сопротивлением, двумя идентичными световоспринимающими сторонами и более высоким коэффициентом теплоотдачи. Поэтому, очевидным способом повышения эффективности установок с высоковольтными ФЭП, является использование концентраторов, обеспечивающих двухстороннюю засветку и оснащенных системой слежения за Солнцем, что в свою очередь увеличивает коэффициент использования светового потока. Кроме того, при использовании подобных систем возможно создание комбинированной системы производства электричества и тепла.

Существенная доля потерь концентрирующих СЭУ происходит непосредственно в концентраторе. Суммарная величина этих потерь может достигать 50%. Поэтому важнейшими задачами, при разработке установок, оснащенных концентраторами, являются: максимальное снижение потерь в концентрирующей системе; анализ величин погрешностей системы слежения и формы концентрирующей поверхностей. В работе рассматривался широкий спектр концентрирующих систем, три из которых представлены в диссертационной работе: фацетная и параболоцилиндрическая - в качестве расчетных моделей; линейные жалюзные гелиостаты-концентраторы - в качестве макета.

Работа выполнялась в соответствии с программой «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения» Федерального Агентства по науке и инновациям (ФАНИ) Министерства науки и образования РФ.

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

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи: энергетический концентратор солнечный фотопреобразователь

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы.

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

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

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

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

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

Научная новизна работы подтверждена двумя патентами Российской Федерации на изобретения.

Практическая ценность.

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

В результате предварительных расчетов и проведенных натурных испытаний установлено, что предложенная форма концентрирующей поверхности снижает требования к точности системы слежения за Солнцем, по сравнению с концентраторами, обеспечивающими одностороннюю засветку, в 2,25 раза и увеличивает допуски на изготовление отражающей поверхности концентратора в 2,25 раза. Разработанный макет концентратора, позволяет регулировать коэффициент концентрации в диапазоне до 20 крат с каждой из сторон и обеспечивает равномерную засветку ФЭП, что позволяет испытывать и другие виды ФЭП при различных концентрациях.

Лабораторно-исследовательский стенд для физического моделирования прихода солнечного излучения позволяет проводить исследования работы СЭУ в зависимости от времени суток, сезона и широты местности; их расположения на крышах и фасадах зданий и исследовать эффект затенения. Лабораторно-исследовательский стенд внедрен в учебный процесс ГОУ ВПО Марийского Государственного Университета (МарГУ) на Электроэнергетическом факультете и ГОУ ВПО Московском Государственном Агроинженерном Университете им. В.П. Горячкина (МГАУ) на кафедре ЮНЕСКО-МГАУ ГНУ ВИЭСХ. Разработка проводилась по заказу Московского офиса ЮНЕСКО, контракт № 876625.6 и была представлена на совещании EURONETRES.

Положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

Апробация работы.

Материалы диссертации были использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 26 ноября 2007 года № 02.516.11.6141, работе по заказу Московского Офиса ЮНЕСКО контракт № 876625.6. Основные положения диссертационной работы докладывались на 5-ой и 6-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (Москва, МГУ, 2006 и 2008 гг.), конференции в рамках выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (Москва, ВВЦ, 2006, 2008 гг.), второй международной конференции «Concentrating Photovoltaic Optics and Power» (Darmstadt, Germany, 2009 г.), Шестой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2008 г.), IX Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (Москва, МГУИЭ, 2007 г.).

Публикации.

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

Структура диссертационной работы.

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

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и основные задачи исследования, отмечена научная новизна работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы.

В первой главе «Обзор существующих типов солнечных энергетических установок и возможностей повышения их эффективности» приведен обзор вариантов солнечных энергетических установок и их основных конструктивных элементов.

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

Солнечные энергетические установки (СЭУ) могут быть использованы для получения двух видов энергии - электричества и тепла, однако посредством вторичных преобразований могут быть получены и другие виды энергии. Прямой метод получения электрической энергии осуществляется за счет фотоэлектрического эффекта. Особое место среди существующих концепций СЭУ занимают установки для комбинированного производства электричества и тепла. Согласно законам развития технических систем, СЭУ данного типа могут выйти на ведущие роли в ближайшее время, главное их достоинство - возможность увеличить коэффициент использования светового потока. На мировом рынке предложений связанных с подобными установками не так уж и много, а на Российском они и вовсе отсутствуют, поэтому сделан вывод о перспективности дальнейшего исследования установок комбинированного типа.

Проведен анализ основных конструктивных элементов СЭУ комбинированного типа (СЭУ ФЭТ): фотопреобразователей (ФЭП), концентраторов (КСЭ), систем слежения за Солнцем, систем охлаждения, электрической части, систем управления и контроля.

Основной частью СЭУ является ФЭП. Наибольшего КПД в лабораторных условиях (более 40%), согласно зарегистрированным данным, удалось достичь на многослойных ФЭП состоящих из GaInP/GaAs/Ge. Однако, в связи с их высокой стоимостью, применение этих ФЭП в народном хозяйстве экономически неоправдано. При использовании кремния удалось добиться эффективности преобразования равной 24,7%, а КПД серийно изготавливаемых ФЭП составляет всего 13-15%. Главной проблемой решаемой современной солнечной энергетикой является повышение рентабельности ФЭП за счет: увеличения КПД преобразования приходящей солнечной энергии; снижения стоимости материалов и процессов изготовления ФЭП. Одним из направлений поиска является создание высоковольтных ФЭП с вертикальным p-n переходом. Отличительными особенностями подобных ФЭП является наличие двух световоспринимающих сторон, более низкие омические потери при концентрированном облучении и больший коэффициент теплоотдачи ФЭП. По идеям Д.С. Стребкова в Государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина» в отделе 4500 «Солнечная энергетика» под руководством В.В. Симакина была разработана технология производства таких элементов, названных, в последствие, кремниевыми высоковольтными многопереходными преобразователемями (КВМП).

Одним из вариантов снижения стоимости СЭУ является применение концентраторов солнечной энергии (КСЭ), позволяющих увеличить плотность приходящего к ФЭП солнечного излучения и тем самым снизить площадь используемого в установке ФЭП. КСЭ представляют собой отражающую (зеркала) или (и) преломляющую поверхность (линзы), фокусирующую солнечное излучение в определенной области. Существует множество вариаций КСЭ, но к наиболее распространенным типам относятся: параболоидные и параболоцилиндрические, фацетные, а так же концентраторы на основе линз Френеля. В России КСЭ разрабатывают в ГНУ ВИЭСХ, в основном это КСЭ с небольшими коэффициентами концентрации 2-4, что позволяет использовать часть рассеянной составляющей солнечного излучения, и не применять системы слежения за Солнцем и охлаждения. Разработкой и изготовлением концентраторов на основе осесимметричных линз Френеля занимаются в ФТИ им. Иоффе, особенностью данных КСЭ является высокий коэффициент концентрации и маленькие размеры используемых в них ФЭП.

Примером использования ФЭП с вертикальным p-n переходом является установка компании GreenField Solar Corp. Концентратор этой СЭУ состоит из 28 фацетов имеющих параболическую форму, поэтому его можно считать одновременно и фацетным и параболоцилиндрическим. Основными видимыми недостатками установки являются: использование лишь одной световоспринимающей поверхности многопереходного ФЭП и сброс отводимого тепла в атмосферу.

Важнейшей задачей, поставленной в диссертационной работе, являлось создание КСЭ, способного обеспечить двустороннюю засветку многопереходного ФЭП с высоким коэффициентом концентрации. Для этого было принято решение разработать способ создания концентрирующей поверхности при помощи компьютерного моделирования.

Одним из немногих предложений рыночных предложений среди систем слежения за Солнцем является система TraxleTM, Чешской компании Poulek Solar Co. Ltd. Эта одноосевая система слежения по азимуту с ручной настройкой высотного угла. Слежение за Солнцем осуществляется за счет разности потенциалов на двустороннем фотоэлементе. В настоящее время серийно выпускаются системы слежения за Солнцем с точностью работы ±10°. В большинстве других случаев следящие системы разрабатываются непосредственно для конкретной установки.

Проведенный обзор позволил обосновать постановку задач исследований.

Во второй главе «Метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии» излагается суть предложенного метода, позволяющего проводить расчет концентрирующей поверхности и компьютерное моделирование. В результате моделирования можно получать информацию о распределении световой энергии по поверхности ФЭП, о требуемой точности работы системы слежения и потерях, связанных с погрешностями в ее работе и ее влиянии на равномерность распределения световой энергии по поверхности ФЭП. При компьютерном расчете предложенным и разработанным методом выполняются следующие операции:

1. Световой поток, проходящий через апертуру концентратора, заменяется массивом направленных источников света с угловым расхождением лучей 32?, равномерно распределенных по всей площади апертуры КСЭ;

2. Каждый точечный источник испускает один луч, которому присваивается условное значение энергии равное 1, описывающее вероятность существования рассчитываемого луча и угол хода, варьирующийся, по сравнению с углом входа светового потока в концентратор, в пределах заданного углового расхождения.

3. Рассчитывается ход каждого луча внутри концентратора, с учетом потерь на отражения внутри концентрирующей поверхности. При этом значение его энергии снижется в зависимости от потерь на отражение или поглощение.

4. Координата выхода луча из КСЭ (прихода к ФЭП или выхода за пределы КСЭ) и ее энергия в долях единицы, сводится в общий информационный массив.

5. Поверхность ФЭП разбивается на области равной плотности, определяемой заданным масштабом. Энергия каждой области равна сумме энергий лучей имеющих координаты выхода, принадлежащих этой области. Коэффициент концентрации в анализируемой области приемника рассчитывается как отношение суммарной энергии световых луче, пришедших в нее к коэффициенту масштабирования этой области.

Алгоритм, реализующий данный метод и его геометрическая интерпретация представлены на рис. 1. Алгоритм состоит из трех модулей: генератора лучей (выполняет 1 и 2 операции); трассировщика лучей (3 операция); обработки информации (4 и 5 операции). Важной частью программы является выбор типа решаемой задачи, на котором определяются основные исходные данные для расчета: тип моделируемого КСЭ, описывающие его параметры и вид выводимого программой отчета.

Наиболее сложным является модуль трассировщик лучей, рассчитывающий:

1) Координату падения лучей на отражающую поверхность. Нахождение координаты может быть осуществлено двумя способами: приравниванием функции, описывающей отражающую поверхность и траектории движения луча и решением полученного уравнения или итерационным методом;

2) Угол хода отраженного луча, с учетом допусков на отклонение нормалей к отражающей поверхности. Определяется согласно основному закону геометрической оптики: угол падения равен углу отражения и лежит в плоскости, создаваемой нормалью к поверхности и падающим лучом. Отклонения нормалей от нормалей к идеальной отражающей поверхности задаются согласно генератору случайных чисел, работающему по нормальному закону:

,

где - составляющие нормального угла к концентрирующей поверхности;

- дисперсия составляющих угловой ошибки.

Значения задаются величиной допуска:

,

где D - заданный допуск на величину рассматриваемой статистической ошибки, в данном случае нормируется угол, измеряемый в градусах.

Рис. 1. Алгоритм работы программы (слева), геометрическая интерпретация (справа)

1 - точка входа луча в КСЭ, 2 - точка отражения луча; 3 - точка прохождения через защитное стекло; 4 - точка падания луча на ФЭП; E1 - энергия входящего луча; E1(в1) - энергия поглощенная поверхностью КСЭ; ЕСТ - потери в защитном стекле; E2(б2) - потери на отражение лучей от ФЭП; Епогл - энергия, пришедшая к ФЭП; д - угловая ошибка системы слежения; f(Д) - диапазон отклонения хода отраженного луча.

3) Энергию отраженного луча, с учетом потерь на поглощение отражающей поверхностью. Расчет проводится согласно формулам Френеля:

E1=Е·К(в), [o.e.]

где: Е1 и Е2 - энергии луча после отражения от поверхности КСЭ и поглощения его ФЭП, соответственно;

в - угол падения луча на отражающую поверхность концентратора;

б - угол падения луча на поверхность ФЭП;

К - коэффициент поглощения лучей материалом при нормальном угле падения.

Зависимости коэффициентов отражения (поглощения) К(в) и К(б) (для любого, участвующего в расчете объекта) определяются согласно формулам Френеля:

где n - коэффициент преломления границы раздела двух сред.

4) Энергию поглощенного ФЭП луча с учетом потерь на отражение. Определяется согласно формулам Френеля (4-7) и выражению:

E2=Е1·К(б). [o.e.]

5) Потери при прохождении через защитные стекла, если такие имеются. Определяются согласно формулам Френеля (6-9) и коэффициенту поглощению стекла.

При помощи разработанного метода проведено моделирование работы двух типов КСЭ: фацетного и параболоцилиндрического (ПЦ) (рис. 2).

Рис. 2. Расчетные схемы фацетного (а) и параболоцилиндрического (б) КСЭ

Получены сравнительные данные о габаритах концентрирующих систем (табл. 1), равномерности распределения концентрированной солнечной энергии по поверхности ФЭП (рис. 3), зависимости энергетического коэффициента концентрации от угла входа лучей (рис. 4), влиянии погрешностей изготовления отражающей поверхности на характеристики КСЭ (рис. 5-6).

Таблица 1. Сравнение размеров концентрирующих систем

x	Фацетный КСЭ	Параболоцилиндрический КСЭ
А, о.е.	30	27
H, о.е.	25	22,3
h, о.е.	6,3	5,7
N, о.е.	6,92	6,75



Рис.3. Диаграммы зависимости точечного коэффициента концентрации от координаты точки поверхности ФЭП при ошибке слежения за Солнцем 0° и 0,5°

По результатам проведенного моделирования были сделаны следующие выводы:

1. Габариты ПЦ КСЭ, обеспечивающего требуемый энергетический коэффициент концентрации на 10% меньше, чем у фацетного;

2. Фацетный КСЭ обеспечивает более равномерную засветку ФЭП;

3. Точность работы системы слежения должна быть согласована с точностью изготовления концентрирующей поверхности при помощи соотношения: ;

4. Для дальнейшей проработки выбран фацетный КСЭ, обеспечивающий более равномерную засветку ФЭП.



Рис.4. Зависимость энергетического коэффициента концентрации от угла входа лучей

а)

б)

Рис. 5. Распределение энергии по поверхности ФЭП при различных допусках на точность изготовления отражающей поверхности для фацетного (а) и ПЦ КСЭ (б)



Рис.6. Зависимость энергетического коэффициента концентрации КСЭ от угловых допусков на точность изготовления концентрирующей поверхности

Для фацетного КСЭ проведено подробное изучение влияния параметров (А, б1, б2) (согласно рис. 2), сделаны выводы:

1. Увеличение любого из рассмотренных параметров (А, б1, б2) увеличивает энергетический коэффициент концентрации. Наиболее сильное влияние на коэффициент концентрации оказывает размер входной апертуры, наиболее слабое - изменения угла прихода лучей от нижней точки концентратора.

2. Увеличение каждого из рассматриваемых параметров имеет предел, при превышении которого среднее значение коэффициента концентрации начинает убывать.

3. КСЭ с параметрами А=30 о.е., б1=30° и б2=40° является оптимальным при создании двухсторонней засветки с суммарным энергетическим коэффициентом концентрации 40 крат.

В результате проведенного моделирования установлено, что наибольшего снижения можно добиться в том случае, если допуск на изготовление отражающей поверхности и максимальная ошибка системы слежения имеют равные значения. В случае совместной работы системы слежнеия за Солнцем с точностью 0,4° и КСЭ допуски на отклонения нормалей которого равны ±0,4° энергетические потери не превышеют 10% по сравнению с идеальным КСЭ с системой слежения идеальной точности.

Для ослабления эффекта снижения плотности приходящего излучения по краям ФЭП (см. рис. 5), увеличивается площадь фокальной плоскости КСЭ по сравнению со световоспринимающей поверхностью ФЭП на 10%. Эта мера позволяет снизить колебания плотности приходящего СИ с 36% до 26% от максимального значения. Согласно проведенным расчетам оптический КПД системы КСЭ-ФЭП (все потери до прихода к ФЭП) при увеличении фокальной плоскости КСЭ снижается с 85% до 81%, при увеличении энергетического коэффициента концентрации на 4,4%.

Согласно проведенному компьютерному моделированию и известным значениям КПД ФЭП определены ориентировочные характеристики рассчитанного модуля солнечной энергетической установки с концентратором (табл. 2).

В третьей главе «Разработка макета концентрирующей системы» приводится описание макетного образца солнечной энергетической установки, оснащенной КСЭ, обеспечивающим двустороннюю засветку.

Таблица 2. Ожидаемые технические характеристики рассчитанного модуля СЭУ

Параметр	Значение
Тип концентратора	фацетный
Допуск на изготовление отражающей поверхности	±0,4
Тип системы слежения за Солнцем	Двухосевая, работающая в шаговом режиме
Требуемая точность системы слежения	Не хуже 0,4°
Коэффициент геометрической концентрации	25
Максимальный энергетический коэффициент концентрации	20,5
Пиковая электрическая мощность установки, Вт	111 (139)
Выходное напряжение, В	36
Количество солнечных элементов, шт	18
Тепловая мощность, Вт	180
Мощность привода системы слежения, Вт/модуль	5-7 Вт (в зависимости от компоновки)
Период эксплуатации	в бесснежный период
Габаритные размеры, мм	10001000600

Фацетный концентратор, в том виде, как он есть, не позволяет проверить зависимость вклада фацета от его расстояния до ФЭП и угла его поворота, поэтому для его макетирования требуется выбрать эквивалентную замену. Для этого подходят линейные жалюзные гелиостаты-концентраторы, которые отличаются от фацетного КСЭ большими размерами, а так же появлением межжалюзного эффекта и затенения фацетов, но позволяют создать простую в изготовлении конструкцию. При создании макета, приняты следующие допущения:

- оси фацетов располагаются на одной линии (направляющей), что упрощает форму несущего каркаса КСЭ, и позволяет установить затеняющий экран, позволяющий регулировать коэффициент концентрации, приходящего к ФЭП солнечного излучения;

- в качестве фацетов применяются стеклянные зеркала, что позволяет исключить риск появления ошибок связанных с деформациями, которые возможны в металле;

- все фацеты изготавливаются одинакового размера, что упрощает конструкцию и процедуру сборки КСЭ, обеспечивая взаимозаменяемость фацетов при повреждениях, и исключает появление ошибок при сборке.

При переходе от расчетной модели к макету принято, что:

1) Количество фацетов макета с каждой из сторон, как и у рассчитанного фацетного КСЭ, равно 25;

2) Направляющая центров фацетов располагается под углом 45° к горизонту;

3) Размеры фацетов составляют 4Ч360 см;

4) Длина слепой зоны, как и у рассчитанного КСЭ, равна 35 см;

5) Расстояния между центрами фацетов для снижения затенения и межжалюзного эффектов выбираются различными.

Расчетная схема макета КСЭ и таблица координат точек крепления зеркал приведены на рис. 7 и в табл. 3 соответственно. На схеме, углы прихода солнечных лучей от крайних зеркал равны 27° и -29°, угол расположения направляющей принят равным 45°, размер слепой - 36 см, а размер входной апертуры - 117 см. Геометрия изготовленного макета КСЭ соответствует схеме (рис. 7). Макет КСЭ состоит из следующих составных частей (рис. 8).

Рис.7. Схема основных размеров концентратора

Основание макета КСЭ 1 служит для устойчивого расположения конструкции на плоской поверхности, а так же создания необходимого расстояния между точкой его крепления и поверхностью земли. На основании установлен узел механического наведения на Солнце 2, который имеет три поворотные степени свободы: вращение вокруг своей оси на 360° и наклон в двух взаимно перпендикулярных направлениях в пределах [-45°, 45°].

Таблица 3. Таблица размещения точек крепления фацетов на направляющей

№ Зеркала	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Координата, см	2	6	10	14	18	22	26	30	34,4
№ Зеркала	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Координата, см	38,8	43,2	47,6	52,2	57	61,8	66,6	71,4	76,6
№ Зеркала	19	20	21	22	23	24	25
Координата, см	81,8	87	92,2	97,4	102,6	108,2	113,8

Рис. 8. Внешний вид макета концентратора и СЭУ

1 - основание; 2 - узел механического наведения и слежения за Солнцем; 3 - промежуточная призма; 4 - несущий каркас концентратора; 5 - зеркала (фацеты) концентратора; 6 - приемный блок и корпус охладителя

На поворотный механизм крепится промежуточная призма 3, которая изменяет диапазон высотных солнечных углов, на которые может осуществляться наклон КСЭ на интервал [-15°, 75°] или при развороте на 180° - [-75°, 15°].

Это создает диапазон высотных углов [-75°, 75°]. На промежуточной призме крепится несущий каркас 4 КСЭ, который является наиболее сложным узлом всего макета. На нем закрепляется консоль крепления корпуса приемного блока 6 (рис. 9) и фацеты 5. На несущий каркас КСЭ крепятся 50 фацетов (зеркал) - по 25 с каждой стороны. Каждый фацет, после монтажа КСЭ, не зафиксирован жестко и может поворачиваться вокруг своей оси, что позволяет точно настроить КСЭ систему и исключает ошибки, возникающие при его изготовлении.



Рис. 9. Приемный блок макета СЭУ ФЭТ

1 - кварцевое окно, 2 - линейка КВМП, 3 - крепление линейки, фторопласт, 4 - хладагент, 5 - штуцера системы охлаждения, вход, 6 - штуцера системы охлаждения, выход, 7 - контакты токосъема, 8 - датчик температуры, 9 - корпус приемного блока

Макет СЭУ был создан в соответствии с программой «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения» Федерального Агентства по науке и инновациям (ФАНИ) Министерства науки и образования РФ в рамках научно-исследовательской работы по государственному контракту от 26 ноября 2007 года № 02.516.11.6141: «Исследование возможности создания солнечно-энергетического модуля на основе применения кремниевых высоковольтных многопереходных фотопреобразователей в режиме концентрированной солнечной освещенности и построения их этих модулей наземной солнечной теплоэлектрической станции нового поколения».

Для облегчения проектирования СЭУ и обучения студентов разработана лабораторная установка, моделирующая изменение положения Солнца на небе (рис. 10) в зависимости от времени года (рис. 11а), времени суток (рис. 11б) и географической широты (рис. 11в). Установка внедрена в учебный процесс ГОУ ВПО Марийского Государственного Университета (МарГУ) на Электроэнергетическом факультете и в ГОУ ВПО Московском государственном Агроинженерном Университете им. В.П. Горячкина на кафедре ЮНЕСКО-МГАУ в ГНУ ВИЭСХ. На установку получен патент.

Рис.10. Внешний вид испытательной установки

Рис.11. Регулирование времени года (а) и суток (б), широты (в)

Описание установки. Внешний вид установки представлен на рис. 10. Установка состоит из источника света 3. Источник света закреплен на подвижной траверсе 1, имеющей форму дуги, позволяющей перемещать источник вдоль ее оси, регулируя, тем самым, время года, согласно шкале, расположенной на этой дуге. Траверса 1, в свою очередь, фиксируется на двух дугах 4 при помощи подвижного крепления 2. Подвижная траверса 1 перемещается по этим дугам в пределах 180°, что позволяет регулировать время суток в пределах от 6 до 18 часов по солнечному времени. Дуги стянуты планками 11, что создает единую устойчивую конструкцию, закрепленными на оси 9. Вращение всей этой конструкции вокруг оси позволяет, регулировать географическую широту. Фиксация выбранной широты осуществляется при помощи колеса 8 и защелки 7. На колесе 8 расположена шкала регулирования широты с ценой деления 8° и пределами регулирования [0° до 64°]. Ось 9 закреплена ниже рабочей поверхности установки 10, применяемой для размещения макетов СЭУ, при помощи скоб 13. Для свободного вращения конструкции вокруг оси используются ножки 12 соответствующей высоты.

В четвертой главе «Исследования макета концентрирующей системы» приведено описание проведенных исследований: измерения вклада каждого фацета в суммарное значение энергетического коэффициента концентрации; расчет суммарного вклада; измерение коэффициента концентрации; определение распределения солнечной энергии по поверхности ФЭП; снятие вольтамперных характеристик ФЭП и макета вцелом; получение вольтамперных характеристик линейки КВМП; оценка зависимости мощности СЭУ от угла прихода СЭ; исследование свойств охлаждающей жидкости. Натурные эксперименты проводились на испытальной площадке ФГУП ВИЭ им. Ленина (г. Москва). Целью проводимых исследований является сопоставление расчетных данных с измерениями. Исследования проводились согласно схеме (рис. 12). При съеме электрических характеристик ФЭП использовались электроизмерительные приборы и магазин сопротивлений.



Рис.12. Схема проведения экспериментального исследования

Положения 1, 2, 3 - ФЭП для измерения мощности СЭ; положения 4, 5, 6 - гелиостаты ЛЖГ, настроенный, настраиваемый, не настроенный соответственно; 7, 8 - затеняющие экраны

Результаты определения вклада фацетов в общий коэффициент концентрации приведены на рис. 13. В результате проведенных измерений установлено:

· вклад фацетов в среднем составляет 0,81 и 0,82 о.е. для верхнего и нижнего крыльев КСЭ соответственно, что говорит об их практической равноценности;

· фацеты центральной части крыльев КСЭ вносят больший вклад, чем находящиеся по краям. Для центральных фацетов эффективность составляет 0,95 о.е.;

· рассчитанный энергетический коэффициент концентрации для каждого из крыльев составляет 19,5, что в сумме дает 39.

Рис. 13. Вклад фацетов в суммарный коэффициент концентрации

В результате проведенных измерений установлено, что коэффициент концентрации КСЭ равен 20 и 19 крат с каждой из сторон.

Для измерения распределения концентрированной энергии по приемной поверхности использовался ФЭП малых размеров, который перемещался поперек фокальной плоскости согласно схеме (рис. 14 слева). После обработки результатов график распределения энергии имеет вид (рис. 14 справа). Согласно проведенному эксперименту установлено, что ширина фокальной плоскости макета КСЭ равна 30 мм, что больше размера ФЭП (25 мм) на 20%, что снижает требования к точности настройки фацетов КСЭ. Это увеличение объясняется тем, что при проектировании макета было принято допущение, что размеры всех фацетов должны быть одинаковыми.

.

Рис. 14. Схема перемещения измерительного ФЭП вдоль оси концентрации (слева); графическое отображения распределения энергии по поверхности ФЭП (справа)

Проведение измерения ВАХ в натурных условиях позволяет оценить электрические характеристики установки и оценить ее КПД. Снятие ВАХ проводилось в соответствии с разработанной методикой измерения. В результате проведенных измерений получены ВАХ для засвечиваемого с двух сторон ФЭП и макета в целом (рис. 15).

Рис. 15. Вольтамперные характеристики КВМП без КСЭ (слева) и с КСЭ (справа)

После математической обработки результатов установлено, что:

- коэффициент заполнения ВАХ ФЭП в случае при 20-ти кратной засветке практически (0,85) не изменяется по сравнению с однократной концентрацией (0,87);

- КПД ФЭП 13%, а КПД электрической части установки вцелом составляет 8,5%;

- пиковая мощность макета, при н.у. и доле рассеянной составляющей 10% - 15 Вт.

- оптический КПД системы КСЭ - охлаждающая жидкость - ФЭП составляет 65%.

В результате проведения экспериментов 5 и 6 получены результаты, показанные на рис. 16. Более высокие значения мощности кривой эксперимента 1 объясняется отличиями температуры окружающей среды и погрешностью измерительной системы (5%). Как видно из графика увеличение коэффициента концентрации приводит к пропорциональному росту генерируемой ФЭП энергии. Небольшое снижение скорости роста функции объясняется увеличением влияния эффекта затенения для верхних фацетов.

Рис. 16. Зависимость максимальной мощности линейки КВМП от мощности СИ (слева); график зависимости мощности генерируемой ФЭП от угла хода лучей

Нелинейность графика изменения мощности объясняется, одинаковым размером фацетов концентратора, подверженных косинусному эффекту. Для фацетного концентратора, данная кривая имеет линейный характер. Отличия расчетных данных от экспериментальных не превышают 5%.

В лаборатории МЭИ, проведено измерение спектрального пропускания охлаждающей жидкости (рис. 17). Измерения проводились в соответствии с утвержденной методикой.

Рис. 17. Коэффициент пропускания ПМС-5

Как видно из графика в большей части видимого спектра кювета с охлаждающей жидкостью имеют коэффициент пропускания равный 0,9. Причем большинство потерь связано с потерями при отражении от кюветы, которая заполняется хладагентом. Ожидается, что использование ПМС-5 и кварцевого стекла дадут меньшие оптические потери, чем текущие 0,9 и реальное КПД установки может превысить ожидаемое.

Охлаждающая жидкость обеспечивала хороший отвод тепла. В процессе снятия ВАХ ФЭП, расположенного в КСЭ, температура ФЭП не превышала температуру окружающей среды более, чем на 10 °С.

По результатам проведенных расчетов и экспериментов сделано заключение, что предложенная схема концентрации снижает требования к допуску на отклонения нормалей и точности работы системы слежения в 2,25 раза. При наложении этих двух факторов друг на друга, допуск на отклонение нормалей и максимальная ошибка работы системы слежения имею равные значения, и снижаются в 2,25 раза, однако это утверждение справедливо лишь для систем слежения, работающих в шаговом режиме, изменение ошибки которых во времени описывается законом, близким к равномерному. Таким образом, при одинаковых технических возможностях: наличии системы слежения за Солнцем с точностью 0,4° и изготовлении отражающей поверхности с допуском на отклонение нормалей ±0,4° концентратор с двухсторонней засветкой и коэффициентом концентрации по 20 крат с каждой из сторон, обеспечивает увеличение оптического КПД с 65% до 81% по сравнению с концентратором, создающим одностороннюю засветку с коэффициентом концентрации 40 крат.

В результате проведенного моделирования и экспериментальных исследований, показано, что концентрирующая система, создаваемая с учетом вышеизложенных требований должна принять вид, показанный на трехмерной визуализации (рис. 18). На установку получен патент РФ. Крылья концентрирующей системы 1 создают двустороннюю засветку приемного блока, в котором располагается ФЭП 3. Для увеличения эффективности использования светового потока поверх приемного блока устанавливается планарный ФЭ модуль 2, этот модуль может быть применен для питания собственных нужд установки. Для электрического присоединения к приемному блоку служит коммутационный узел 4, несущая конструкция обозначена номером 5.

Рис. 18. Установка с концентратором для многопереходного ФЭП

Принципиальная схема созданной установки представлена на схеме (рис. 19). Здесь солнечное излучение собирается зеркальным концентратором 1, состоящим, из плоских фацет, направляющих солнечное излучение с двух сторон на ФЭП с вертикальными p-n переходами 2, представляющие собой одновременно фотоэлектрический и тепловой приемник, находящийся в охлаждающей жидкости - теплоносителе. Концентратор 1 с ФЭП 2, планарным ФЭ модулем 10 и системой слежения за Солнцем 4 располагаются на несущей конструкции 3. Блок накопления электрической энергии 5 с согласующим зарядным устройством (не показано) аккумулирует генерируемую ФЭП ЭЭ с помощью аккумуляторов или преобразует ее в водород, получаемый электролизером путем гидролиза воды или топливным элементом. Распределительно-преобразовательное устройство 17 выдает заданное постоянное или переменное напряжение в зависимости от нужд потребителя электроэнергии 18. Теплота, отбираемая от охлаждаемых ФЭП 2, через первичную петлю теплообмена 6 с помощью жидкостного теплоносителя и циркуляционного насоса 20 подается на теплообменник 8, а затем поступает в блок аккумулирования (накопления) тепловой энергии 6 по вторичной петле теплообмена 7. В качестве потребителя тепла может быть теплообменник 11 абсорбционного холодильника 12 или любой другой потребитель 15, 18. Система автоматического управления и контроля параметров 19 и распределительно-преобразовательное устройство 17 управляют работой блоков солнечно-энергетической станции, контролируют ее параметры и определяют приоритетное распределение электрической энергии, теплоты и холода.

Рис. 19. Структурная схема основных узлов предложенной СЭУ ФЭТ

Для увеличения эффективности модуля предлагается закрывать слепую зону КСЭ планарным фотоэлектрическим модулем, являющимся резервным источником питания системы слежения за Солнцем и автоматики. Ожидается, что мощность системы слежения и автоматики и управления применительно к одному модулю установки составит 5-7 Вт, излишки выработанной планарным модулем энергии могут быть переданы потребителю. Согласно проведенным исследованиям ВАХ многопереходного ФЭП точка максимальной мощности многопереходного ФЭП соответствует напряжению 37 - 38 В, а планарных ФЭП 0,47-0,48 В. При соединении двух разнородных типов ФЭП предлагается использовать схему (рис. 20). Здесь 32 многопереходных ФЭП располагаются параллельно, а 80 планарных располагаются последовательно. В качестве планарных используются ј псевдоквадратные ФЭП размером 100Ч100 мм. Суммарное напряжение цепочки планарных ФЭП, собранных в модуль составляет 37,6-38,4 В. Из-за несовпадения напряжений основного многопереходного ФЭП и цепочки планарных возникают уравнительной токи, максимальная величина потерь от которых может составить примерно 1,2% от полной мощности установки. В целом стоит ожидать потерь равных 0,4-0,5 % от полной мощности установки.

Рис. 20. Электрическая схема соединения ФЭП внутри модуля

PV - планарные ФЭП; MJPV - ФЭП с вертикальным p-n переходом; VD - запирающий диод; М2-М10 - электрическое соединение с остальными модулями; SF - коммутационная аппаратура; М - привод системы слежения за Солнцем; ЗРУ - распределительное устройство

Пятая глава «Перспективные области применения установок комбинированного типа» посвящена описанию возможных сфер применения предложенной установке, оценке вырабатываемой и потребляемой за расчетный год электрической энергии и расчету технико-экономических показателей характеристик установки.

Рассмотренные, в данной диссертационной работе, СЭУ ФЭТ одновременно могут являться модулями, которые можно не только использовать по отдельности, но на их базе построить более крупные установки различной мощности, в таком случае значительно снижается стоимость систем слежения за Солнцем, отвода тепловой энергии и автоматического управления. В качестве возможных сфер применения подобных установок можно выделить:

1. Объекты, не имеющие централизованного электроснабжения и питающиеся от местных дизель-генераторных установок. Применение СЭУ ФЭТ для электроснабжения сельскохозяйственных объектов согласуется с энергетической стратегией сельского хозяйства России не период до 2020 года, согласно которой планируется обеспечить до 10% потребностей села в электрической энергии за счет СЭУ.

2. Использование СЭУ ФЭТ при отгонном животноводстве имеет множество преимуществ, т.к. существует необходимость автономного источника питания, который не требует привоза топлива и способен обеспечить пастухов и охраняемое ими стадо электрической и тепловой энергиями.

Согласно проведенным расчетам выработка электрической энергии для Краснодарского края одним модулем установки составляет 200 кВт•ч/год и тепловой - 300 кВт•ч/год. Таким образом, для обеспечения потребностей сельского дома (годовое потребление электрической энергии 700 кВт•ч) достаточно установки, состоящей из 5 модулей, а для энергообеспечения отары овец из 600 голов при отгонном животноводстве (660 кВт•ч) - установки состоящей из 4 модулей.

Итоговая стоимость установки напрямую зависит от количества модулей, из которых она состоит, это объясняется тем, что стоимость систем автоматического управления, слежения за Солнцем и отвода тепла раскладывается на все модули и чем их больше, тем ниже стоимость установки. Так стоимость единичного модуля составляет 48 500 руб., а стоимость модуля в составе установки, состоящей из 10 модулей - 28 000 руб. Стоимость пиковой установленной электрической мощности установки состоящей из 10 модулей при необходимой организации производства составляет 108 руб/Вте (3,6 usd/Вте), а тепловой - 78 руб/Втт (2,6 usd/Втт). Для сравнения стоимость планарных солнечных модулей составляет 3ч4 долл./Втпик. Ежегодная экономия дизельного топлива, потребляемого дизельным генератором, за счет предлагаемой установки в отгонном животноводстве составляет 200 л/год и 700 кг дров. Экономия денежных средств, по сравнению с покупкой дизельного генератора и его обеспечения топливом, будет достигаться через 9,2 года. Рассчитанный срок энергетической окупаемости установки составляет 9,8 лет. В результате проведенного расчетов, установлено, что при использовании в рассматриваемом модуле и стандартном модуле ФЭП с равными КПД обеспечивают равную выработку электрической энергии. Использование многопереходных ФЭП с вертикальным p-n переходом с КДП 20% обеспечит увеличение эффективности производства электрической энергии установкой в среднем на 27% при незначительном повышении стоимости установки (увеличение стоимости ФЭП в 10 раз приводит к увеличению стоимости установки на 1%).

Основные выводы

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