CC BY
20УДК 520.99:523.9:520.8.054:001.891.55
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО КОНЦЕНТРАТОРНОГО МОДУЛЯ С ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИЕМНИКОМ
Огребков Д.С., Майоров В.А., Филиппченкова Н.С.
ФГБНУ «Федеральный Научный Агроинженерный Центр ВИМ», г. Москва, Россия
Аннотация. Применение теплофотоэлектрических солнечных модулей и установок предусматривает комплексное энергоснабжение удаленных объектов сельскохозяйственного назначения их обеспечение как электрической, так и тепловой энергией, которая поступает на объекты в виде горячей воды для горячего водоснабжения и отопления.
Развитие солнечной генерации на базе параболоцилиндрических концетраторных модулей активно ведется во многих странах. Системы на основе солнечных концентраторных модулей достигают значительной производительности в регионах, где уровень прямой инсоляции особенно высок. Для повышения эффективности использования солнечного излучения, концентраторы оснащаются специальными следящими системами, обеспечивающими ориентацию концентраторов в направлении Солнца.
Продление среднее суточного времени активной работы концентратора без физического увеличения его угловой апертуры позволяет использование жалюзийных гелиостатов.
В работе приведены результаты экспериментального исследования макета концентраторного солнечного модуля с жалюзийным гелиостатом с угловой апертурой 36° и теплофотоэлектрическим приемником солнечного излучения. Установлено, что тепловой КПД теплофотоэлектрического приемника находится в пределах 60... 70%. Соотношение тепловой мощности РУТ-приемника к электрической при значениях прямой инсоляции 800±100 Вт/м2 находится в пределах от 1:1 до 5:1.
Ключевые слова: концентратор, солнечный модуль, жалюзийный гелиостат, тепловой фотоэлектрический приемник солнечного излучения.
Введение. В настоящее время некоторые способы применения солнечной энергии широко практикуются во многих странах с различными климатическими условиями. Прямое использование
концентрированного солнечного излучения для производства тепла и электроэнергии не является исключением.
Существует два направления снижения стоимости солнечных фотоэлектрических станций: улучшение технико-экономических характеристик солнечных модулей (СМ) и создание станций с концентраторами [1-4].
Применение теплофотоэлектрических (ТФЭ) солнечных модулей [5-10] и установок предусматривает комплексное энергоснабжение удаленных объектов сельскохозяйственного назначения их обеспечение как электрической, так и тепловой энергией, которая поступает на объекты в виде горячей воды для горячего водоснабжения и отопления.
Развитие солнечной генерации на базе параболоцилиндрических концетраторных модулей активно ведется во многих странах. Системы на основе солнечных концентраторных модулей достигают значительной производительности в регионах, где уровень прямой инсоляции особенно высок. Для повышения эффективности использования солнечного излучения, концентраторы оснащаются специальными следящими системами, обеспечивающими ориентацию концентраторов в направлении Солнца.
Применение таких солнечных концентраторных модулей в основном ограничено промышленными системами генерации электроэнергии. В этой связи исследования, направленные на повышение производительности неследящих солнечных концентраторов, в том числе модулей, интегрируемых в фасады жилых и административных зданий, имеют актуальность.
В работах [11, 12] было показано, что продлить среднее суточное время активной работы концентратора без физического увеличения его угловой апертуры позволяет использование жалюзийных гелиостатов.
В работе приведены результаты экспериментального исследования макета концентраторного солнечного модуля с жалюзийным гелиостатом (угловая апертура 36°) и теплофотоэлектрическим приемником солнечного излучения (рис. 1).
б)
Рисунок 1 - Экспериментальный макет концентраторного
солнечного модуля с жалюзийным гелиостатом (угловая апертура 36°)
и теплофотоэлектрическим приемником: а) концентратор с жалюзийным гелиостатом; б) изготовленный теплофотоэлектрический приёмник с солнечными элементами концентраторной солнечной
установки
В состав концентраторного солнечного модуля входит:
1 - жалюзийный гелиостат;
2 - теплофотоэлектрический приёмник с солнечными элементами;
3 - система протока воды;
4 - зеркальный параболоцилиндрический концентратор;
5 - стойка модуля.
Солнечное излучение проходит через жалюзийный гелиостат 1, попадая на рабочую поверхность зеркального
параболоцилиндрического концентратора 4 и отражает концентрированное солнечное излучение на теплофотоэлектрический приёмник с солнечными элементами 2 и системой протока воды 3. Оолнечные элементы преобразуют концентрированную солнечную энергию в электрическую. Остальная часть солнечной энергии нагревает воду в системе протока.
Разработанная система автоматической регистрации основных параметров солнечного концентраторного модуля в процессе натурных испытаний позволяет получать информацию о таких параметрах солнечного концентраторного модуля, как ток короткого замыкания 1кз, напряжение холостого хода Их, инсоляция: суммарная Е2 и прямая Епр, а также значения температуры окружающего воздуха 1окр, температуры воды на входе 1вх и на выходе из теплофотоэлектрического приемника 1вых [13].
В ходе экспериментальных исследований проведен анализ электрических и тепловых параметров солнечного концентраторного модуля с теплофотоэлектрическим приемником.
Для иллюстрации работы измерительного блока приведены временные графики для тока короткого замыкания 1кз, напряжения холостого хода Ихх, инсоляции: суммарной Е2 и прямой Епр (рис.2).
Рисунок 2 - Графики рабочих показателей модуля, угол наклона поверхности входа концентратора к горизонту Р=15°, угол наклона ламелей а=106°: Iк.з. (1), ЕЕ (2), Епр (3) Графики получены на измерительном блоке с интервалом регистрации 1 с.
Временные характеристики температуры окружающего воздуха 1окр, температуры воды на входе 1вх и на выходе из теплофотоэлектрического приемника 1вых, снимаемых с температурных датчиков, расхода теплоносителя Ь показаны на рисунке 3.
Рисунок 3- Графики рабочих показателей модуля: Хокр (1), Хвх (2),
1вых
(3)
Характеристики получены измерительным блоком при значениях: угла наклона поверхности входа концентратора к горизонту Р=15°, угла наклона ламелей а=106°.
Расход теплоносителя составлял: в период с 13:37 до 14:03 Ь=8,1 л/ч, с 14:03 до 14:34 Ь=9,6 л/ч.
Наряду с температурой теплоносителя на выходе ТФЭ-приемника, важным параметром, определяющим эффективность работы концентрирующего модуля, является тепловая мощность.
На рисунке 4 представлен график тепловой и электрической мощиости на основании данных эксперимента и расчетной модели.
£ -
Я I
12:30:00 12:45:00 13:00:00 13:15:00 13130:00 13:45;1Н> Вр1'хя чис:сьтн:сек
14:04:110 14:1 > • М1 ¡440: 1>|
Рисунок 4 - График тепловой и электрической мощности угол наклона поверхности входа концентратора к горизонту Р=15°, угол наклона ламелей а=108°: Рт. (1), Епр (2), Рэл (3)
При изменении прямой инсоляции Епр (2) в зависимости от облачности меняются величины тепловой Рт. (1) и электрической Рэл
(3) мощности, причем электрическая мощность изменяется адекватно изменению прямой инсоляции, а тепловая мощность имеет свойство релаксации по отношению к изменению прямой инсоляции.
Рт = с-р-Ь■ (¡т -Гвых ) , (1)
где с- удельная теплоемкость воды, Дж/кг °С; р - плотность воды, кг/м3;
Ь - расход воды, м3/с; 1<ыис -температуры воды на входе и на выходе канала соответственно, °С.
В ходе экспериментального было установлено, что тепловой КПД теплофотоэлектрического приемника находится в пределах 60...70%. Соотношение тепловой мощности ТФЭ-приемника к электрической при значениях прямой инсоляции 800±100 Вт/м2 находится в пределах от 1:1 до 5:1
Тепловая мощность ТФЭ-модуля находится исходя из выражения:
Заключение.
По итогам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:
1. В процессе натурных испытаний разработанная система автоматической регистрации позволяет получать информацию об основных параметрах солнечного концентраторного модуля: токе короткого замыкания, напряжении холостого хода, температуры воды на входе и на выходе из теплофотоэлектрического приемника, температуры окружающего воздуха, суммарной и прямой инсоляции.
2. При изменении прямой инсоляции в зависимости от облачности меняются величины тепловой и электрической мощности, причем электрическая мощность изменяется адекватно изменению прямой инсоляции, а тепловая мощность имеет свойство релаксации по отношению к изменению прямой инсоляции.
3. Показано, что тепловой КПД теплофотоэлектрического приемника находится в пределах 60.70%. Соотношение тепловой мощности РУТ-приемника к электрической при значениях прямой инсоляции 800±100 Вт/м2 находится в пределах от 1:1 до 5:1.
Приведенные эксперименты показали возможность применения разрабатываемой ТФЭ установки для тепло и электроснабжения автономных потребителей.
Список использованных источников:
1. Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения: монография / В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.
2. Арбузов, Ю.Д. Принципы и перспективы фотоэлектрического преобразования энергии концентрированного солнечного излучения / Ю.Д. Арбузов, В.М. Евдокимов // Гелиотехника. - 1993. - № 1. - С. 312.
3. Лидоренко, Н.С. Фотоэлектрические преобразователи концентрированного солнечного излучения,теория и эксперимент / Н.С. Лидоренко, В.М. Евдокимов, А.Ф. Милованов, С.В. Рябиков, Д.С. Огребков, В.А. Унишков // Тезисы и доклады Всесоюзной конференции «Использование солнечной энергии». - Ашхабад: Ылым, 1983. - Ч. 2. - О. 3-12.
4. Захидов, Р.А. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем: монография / Р.А. Захидов, Г.Я. Умаров,
A.А. Вайнер. - Ташкент: Изд-во «ФАН» УзООР, 1977. - О. 306-315.
6. Yu.D. Arbuzov, V.M. Evdokimov, V.A. Majorov, L.D. Saginov, O. Shepovalovа. Optimization of design parameters and the light intensity of the semiconductor solar cells internal losses in systems with concentrated radiation. 44 National Solar Conference, April 1, 2015. Energy Procedja 74(2015) 1543-1550.
7. Патент РФ №2543256 27.02.2015. Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения. Майоров В.А. 8 МПК F24J 2/10. Опубл. 27.06.2015. Бюл. № 8.
8. Патент 2591747 Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения и способ его изготовления Майоров В.А., Арбузов. Ю.Д., Евдокимов
B.М., Оагинов Л.Д., Трушевский О.Н. Оп. 20.07.2016, Б. №20
9. Евдокимов В.М., Майоров В.А. Методы расчета и исследование предельных энергетических и тепловых характеристик фотоэлектрических преобразователей солнечного концентрированного излучения. Вестник ВИЭОХ, № 1(26)/2017, стр. 111-121.
10. V.M. Evdokimov, V.A. Majorov A study of limiting energy and temperature characteristics of photovoltaic solar radiation converters. Applied Solar Energy, 53(1), 1-9.
11. Стребков Д.О., Иродионов А.Е., Филиппченкова Н.О. Неследящие солнечные концентраторы с жалюзийными гелиостатами: межламельные эффекты // Гелиотехника. 2015. № 4. О. 72-78.
12. Стребков Д.С., Иродионов А.Е., Филиппченкова Н.С. Неследящие солнечные концентраторы с жалюзийными гелиостатами: алгоритм расчета // Гелиотехника, 2017. № 1. С. 43-47.
13. Филиппченкова Н.С., Харченко В.В. Разработка автоматической системы регистрации основных параметров солнечной концентраторной установки // Фундаментальные и прикладные вопросы физики: Труды международной конференции 13-14 июня
2017 г., Академия наук Республики Узбекистан НПО «Физика-Солнце», 2017. - 289 с.: табл., ил. С. 192-195.
Стребков Дмитрий Семенович, Академик РАН, доктор технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ
«Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», шик[-ds@mail.ru;
Майоров Владимир Александрович, кандидат технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ
«Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», solarlab@mail.ru;
Филиппченкова Наталья Семеновна, инженер, Россия, Москва, ФГБНУ
«Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», solarlab@mail.ru.
EXPERIMENTAL STUDY OF A SOLAR CONCENTRATORY MODULE WITH A HEAT-PHOTO-ELECTRIC RECEIVER
Strebkov D.S., Mayorov V.A., Filippchenkova N.S.
FSBIFNATS VIM, Moscow, Russia
Annotation. The use of thermal photovoltaic solar modules and installations provides for the integrated energy supply of remote agricultural facilities to provide them with both electrical and thermal energy, which is supplied to the facilities in the form of hot water for hot water supply and heating.
The development of solar generation on the basis of parabolic cylindrical concentrator modules is actively conducted in many countries. Systems based on solar concentrator modules achieve significant performance in regions where direct insolation is particularly high. To increase the efficiency of using solar radiation, concentrators are equipped with special tracking systems that provide orientation of concentrators in the direction of the Sun.
The extension of the average daily time of active work of the hub without physically increasing its angular aperture allows the use of louver heliostats.
The paper presents the results of an experimental study of a model of a concentrator solar module with a louvered heliostat with an angular aperture of 36° and a thermal-photoelectric receiver of solar radiation. It has been established that the thermal efficiency of the thermal photoelectric receiver is within 60 ... 70%. The ratio of the thermal power of the PVT-receiver to the electric one with the values of direct insolation of 800 ± 100 W / m2 is in the range from 1: 1 to 5: 1.
Keywords: concentrator, solar module, louvered heliostat, thermal photoelectric solar radiation receiver.
Dmitry Strebkov, Academician, Doctor of Technical Sciences, Russia, Moscow, Federal Scientific Agrarian Engineering Center VIM, solarlab@mail.ru
Vladimir Alexandrovich Mayorov, Ph.D., Moscow, Russia, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, solarlab@mail.ru
Filippchenkova Natalia Sergeevna, Engineer, Russia, Moscow, Federal Research Institute of Agroengineering Center VIM, solarlab@mail.ru
