CC BY
146
УДК 621.40
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРОМ И МАТРИЧНЫМИ ФЭП
© 2015 г. В А. Майоров, Д. С. С треб ков, СЛ. Трушевский
Концентрирующие солнечные коллекторы являются одним из основных средств для преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую. В результате концентрирования солнечной радиации получается высокая плотность теплового потока и. соответственно, высокая температура приемника, которая не всегда приемлема для функционирования фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Однако известна зависимость КПД от температуры. Если охлаждать ФЭП. можно получить больше электроэнергии и дополнительно тепло.
В работе исследованы новые фотоэлектрические модули, включающие трапециевидные приемники, на гранях которых смонтированы фотоэлементы, и параболоцилиндрические концентраторы в виде полу-ветви образующей цилиндр параболы (полу параболоцилиндрический концентратор), обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.
Проведено математическое моделирование для создания алгоритма расчета конструкции теплофото-электрического модуля с заданными энергетическими параметрами с использованием законов геометрической оптики, а также тепло- и массообмена. Разработанные и изготовленные макетные образцы модулей исследовались на соответствующих стендах и испытывались в натурных условиях.
Рассчитывались и испыты вались следующие параметры модуля: температура среды, скорость ветра, пряма» и отраженная солнечная радиация от концентратора к приемнику трапецеидальной формы с нанесёнными фотоэлементами и потоком охлаждения водой, расход воды через теплообменник, вольт-амперные характеристики фотоэлектрических преобразователей и др.
Конструкция обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического моду ля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фото приемника. При прямой солнечной радиации 700 Вт/м\ температуре воздуха 24,5 С. скорости ветра 4 м/с, расходе воды в пределах 120-200 кг/ч максимальная электрическая мощность при температуре ФЭП 43 С составляет 254 Вт. Тепловые потери в окружающую среду составили: конвективные - 92 Вт. радиационные - 66 Вт. Температура охлаждающей воды на входе 15-18, на выходе 22-27 С. КПД модуля 0.1146-0.1053. При температу ре ФЭП 74 С мощность модуля 219 Вт. при 58 С - 236 Вт.
Отдельно на экспериментальном модуле проведены исследования матричного высоковольтного фотопреобразователя. состоящего из трех параллельно соединенных фотоэлементов, закрепленных на трапецеидальном фотоприемнике. Показано, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при непосредственном освещении солнечным светом, значения коэффициентов заполнения В АХ m 0,728 и 0.660 соответственно.
Результаты расчетных и экспериментальных исследований о пти ко-энергетических, тепловых и температурных параметров приемников солнечного излучения трапецеидального типа в составе солнечных модулей с полупараболоциндричсскими концентраторами могут быть использованы для создания ко генерационных систем энергоснабжения, включая горячее водоснабжение.
Ключевые слона: фотоэлектрический, трапециевидный приемник, полупараболоцилиндрический концентратор, геометрическая оптика, теплоноситель, матричный высоковольтный фото прсобра зо вате ль.
Concentrating solar insolation results in a high density of heat energy and consequently high temperatures, which arc not necessary for photoelectrical cells operation. However, the performance of photovoltaic panels is dependent on the temperature. When cooled down they generate more electrical energy and can add heat to the outlet of a heal supply. We have investigated the performance ofsuch an energy system.
In this paper some new photovoltaic modules, including trapc/iform with mounted photocells receiver and lialf-parabolocvlindrical concentrator, to ensure efficient conversion of solar energy into heat and electricity, was investigation. The mathematical modeling to creation a computational algorithm design thcrmo-photoclcctrical module the specified pow er parameters using laws of geometrical optics, as well as heat and mass transfer. Developed by this method of model samples arc manufactured and examined for appropriate stands and tested in field conditions. In present paper the follow ing parameters of module arc calculated and tested: an ambient temperature and wind speed, direct and reflected solar radiation from half-parabolocylindrical concentrator to a trape/iform receiver with photocell system and water coolant flow heat exchanger, temperature and expenditure of water, volt-ampere characteristics of photoelectrical converter etc.
The heal and electrical parameters become defined according to the calculation results to within 10%. Concentrating solar radiation to 50. uniformly of insolation 0.25. Solar module with parabolocylindrical concentrator, trapeziform concentrated radiation receiver with mounted photocells and coolant flow system delivers maximum
output 254 watts at 43 C. 219 W at 74X and 236 W at 58 C. Efficiency of module 0,1146-0.1053. temperature of water: inlet 15-18, outlet 22-27 C and expenditure of water 120-200 kg/h.
The solar module with half-parabolocylindrical concentrator, trapeziform concentrated radiation receiver with mounted matrix high-photovoltaic cells mid coolant flow system was investigated also. Coefficients of occupy volt-amperes characteristic was m 0.728 and 0.660 for concentrate and non concentrate solar stream correspondingly.
When using such modules, in which basis is half-parabolocylindrical concentrator and photocell system with coolant flow can create cogeneration plants to generate electricity and heat for thermal supply, including hot-water supply.
Key words: photovoltaic, trapeziform receiver, half-parabolocylindrical concentrator, geometrical optic, heat flow system, matrix high-photovoltaic cells.
Введение
В данной работе исследованы новые солнечные модули, включающие трапециевидные приёмники, на гранях которых смонтированы фотоэлементы, и параболо-цилиндрические концентраторы в виде полу ветви образующей цилиндр параболы (полупараболоцилиндрический концентратор), обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.
Использование концентраторов в составе солнечных энергетических установок или солнечных фотоэлектрических электростанций является одним из эффективных путей снижения себестоимости фотоэлектрической энергии. Актуальной зада-
чей является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.
Математическая модель расчета оппшко-шергепшческих параметров приемников излучения трапецеидального типа в составе солнечных модулей с парабол оциндри ческими концентраторами.
Схема конструкции солнечного модуля с параболоцилиндрическим концентратором, ходом лучей от поверхности концентратора до поверхностей трапецеидального фотоприемника (ТФП) представлена на рисунке 1.
ХУ{ D)
(А, " X
Рисунок 1 - Схема конструкции фотоэлектрического модуля с полупараболоцилиндрическим концентратором и ходом лучей от поверхности концентратора до ТФП шириной ¿/м, ¿/ср, б/в
ТФП выполнен в виде трех линеек из коммутированных на гранях трапеции высоковольтных или планарных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) шириной ¿/„, б/ср, г/,,. Каждая грань ТФП освещается своей частью концентратора.
Верхняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Л"В,УВ; X У) •
Значения координат Хв„, Ут определяются по формулам:
ХЮ=2Д—-/*(£-$,)], 0)
X
у _ ни
4/
(2)
где ё„ = ——, //=0,1.....
я.
/- фокусное расстояние параболы, а координаты X, У - определяются шириной концентратора.
Распределение концентрации освещенности по ширине фокального пятна на верхней поверхности ТФП определяется как
ДХ
(3)
К..„ =
где
АЛ
_^_, (4)
сов р $ т(// + /3 + 8п)
= ' (5)
= С)
Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на верхней поверхности ТФП с шириной граней б/„, б/ср, с/,и конкретно 4x4^4 см, показано на рисунке 2.
Средняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Хц,Ун\ Хв,Уа}. Значения координат концентратора в этой области Хср, Уср определяются по формулам:
_1_
СОБ 8„
Хсрп=2/[—^(8)
X *
у — с')п
(9)
срп 4 /'
Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на средней поверхности ТФП определяется по аналогии с формулами (3-6) и представлено на рисунке 3.
Нижняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х„УН\ 0,0}. Значения координат концентратора в этой области Хшь Ут определяются по формулам:
Х„„=2/[—!—(10)
С05 8 ,л
Г =
к... =
4/
(Н) (12)
</ = (13)
4/ -
$туп ^т(// + Д)
собД^Ш^ + Д, + 8н) Уп =1л + РИ+8н-6т
и представлены на рисунке 4.
(14)
(15)
Распределение освещенности верхней Распределение углов падения солнечного
поверхности ТФП с трапецидальным сечением излучения на верхнюю поверхность ТФП с
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Ширина фокального пятна на ФП, отн.ед. Ширина фокального пятна, отн. ед.
Рисунок 2 - Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна верхней поверхности ТФП
26 т
Распределение освещенности средней поверхности ТФП страпецидальным сечением dB=dcp=dH=4 см
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Ширина фокального пятна, отн.ед.
Распределение углов падения солнечного излучения на среднюю поверхность ТФП с трапе цидальным сечением с!в=с1ср=с1н=4 см
100
0,2 0,4 0,6 0,8 Ширина фокального пятна, отн.ед.
Рису нок 3 - Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна средней поверхности ТФП
25
ь л
9-20
к
§15
л
а
ЕЮ •
о б
Распределение освещенности нижней поверхности ТФПтрапецидальным сечением dB=dcp=dH=4 см
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Ширина фокального пятна на ФП, отн.ед
Распределение углов падения солнечного излучения на нижнюю поверхноемть ТФП с трапецидальным сечением dв=dcp=dн=4cм
0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ширина фокального пятна, отн.ед.
Рисунок 4 - Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна нижней поверхности ТФП
Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на нижней поверхности ТФП определяется по типовым формулам.
Как видно из приведённых графиков, конструкция обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.
Таким образом, на основании приведённой расчетной модели и графиков распределения концентрации освещённости по рабочим поверхностям ТФП можно оптимизировать размеры блоков модуля СБ, величину концентрации и распределение освещённости на рабочих поверхностях фотоприемника и в соответствии с формулой [2]:
W = (16)
где W- выработанная электроэнергия СБ;
Е0- солнечная освещенность;
Л опт ~ оптический КПД солнечной батареи;
cosjСр - средняя дневная величина cos/ в пределах значений /mj„ и /,пах (/' - угол наклона солнечного излучения к нормали миделя СБ);
S- площадь миделя СБ;
т - дневное время работы СБ, можно определять выработку энергии как на каждой грани, так и всего фотоприемника.
Математическая мод ел ь расчета тепловых и температурных режимов трапецеидальчого приемника солнечного излучения в составе модуля с параболо-цилиндри ческим концентратором.
Исследуется тепловой режим трапецеидального приемника излучения модуля солнечной батареи с матричными высоковольтными элементами и параболоцилин-дрическим концентратором, обеспечивающий работу фотоэлементов при концентрациях до 10 и выше крат. Расчётная схема модуля СБПЦК показана на рисунке 1.
Концентратор имеет форму полуветви параболы АВСО, а приёмниками концентрированного излучения являются боковые и нижняя, обращённая к концентратору, поверхности трапециевидного в сечении канала, на которых крепятся ФЭП. Охлаждение - принудительное, протоком теплоносителя через канал, и естественное, теплообменом с окружающей средой. Выше расчётным способом получены следующие средние концентрации: на поверхностях приёмника, облучаемых дугами концентратора: АВ - 15, ВС - 19,5, СО- 35.
Расчёты проводились при следующих параметрах модуля и внешней среды:
параболоцилиндрический концентратор 2,7 х 1,25 м2;
площадь приёмной поверхности /<„„= 3*0,04* 1,25=0,15 м2, апертуры 1<т=3,375 м2;
приёмник концентрированного излучения: поперечное сечение - трапеция с периметром П=3 ><0,04+0,07=0,19 м, длиной 1= 1,25 м; омываемая площадь /<=/7/.=0,24 м2;
оптический КПД: Лоиг=тАл=0,9х0,9х0,9=0,729,
где коэффициенты отражения концентратора г =0,9, поглощения приёмника а=0,9 и улавливания /уЛ=0,9;
КПД ФЭП Г|ФЭ= 0,12;
прямая солнечная радиация Есм Вт/м2;
температура среды 1.а, °С;
скорость ветра Г, м/с;
Результаты расчётов по одному из шагов итераций.
При прямой солнечной радиации 700 Вт/м2, температуре воздуха 24,5 °С, скорости ветра 4 м/с, расходе воды в пределах 120-200 кг/ч максимальная электрическая мощность при температуре ФЭП 43 °С составляет 254 Вт. Тепловые потери в окружающую среду составили: конвективные 92 Вт, радиационные 66 Вт. Температура охлаждающей воды на входе 15-18, на выходе 22-27 °С. КПД модуля 0,1146-0,1053. При температуре ФЭП 74 °С мощность модуля 219 Вт, при 58 °С - 236 Вт.
Эксперимент
Испытания модуля проводилось в натурных условиях на площадке ВИЭСХ. Измерение солнечной радиации осуществлялось пиранометром типа «Пеленг», измерение температуры - термопарами, расход воды - объёмным методом, скорость ветра - анемометром. На экспериментальном солнечном модуле проведены исследования матричного высоковольтного фотопреобразователя, состоящего из трех параллельно соединенных фотоэлементов с размерами 4x1 см и закрепленного на трапецеидальном фотоприемнике (рисунок 5).
'j
Рисунок 5 - Экспериментальный образец приёмника солнечного модуля с высоковольтными матричными фотоэлементами размером 4х 1 см
Рисунок 6 - В АХ трапецеидального фотоприемника модуля СБПЦК с тремя высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4x1 см, при солнечном излучении 888 Вт/м2. Коэффициент заполнения В АХ т=0,660
Рисунок 7 - ВАХ модуля СБПЦК с трапецеидальным фотоприемником с тремя высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4x1 см, при солнечном излучении 883 Вт/м". Средняя концентрация на фотоприемнике Кср=22,5 крат, коэффициент заполнения ВАХ т=0,728
ВАХ матричного высоковольтного фотопреобразователя представлены на рисунке 6 - без концентрации, на рисунке 7 -с концентрацией солнечного излучения
Из приведённых ВАХ следует, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при низком освещении солнечным излучением, что показывают значения коэффициентов заполнения ВАХ т. В рабочей точке ВАХ (рисунок 6) электрическая мощность в -19 раз больше, чем на рисунке 5, которая равна Р|=1,175 Вт. При пересчете количества матричных
элементов с г|фо=0,12, на всю линейку при освещенности 700 Вт/м2 и Г)ОПТ=0,729 выработанная электрическая мощность будет равна Р:)Л=208 Вт, что соотвествует расчетным параметрам при температуре ФЭП 74 °С мощность модуля - 219 Вт.
Выводы
Проведены:
- расчет оптико-энергетических параметров приемников излучения трапецеидального типа в составе солнечных модулей с полупараболоциндрическими концентраторами, позволяющий определять геометрические размеры модуля, распре-
деление концентрации освещённости по ширине фокального пятна на поверхностях граней трапецеидального фотоприемника, выработку энергии как на каждой грани, так и всего фотоприемника;
- расчет тепловых и температурных режимов трапецеидального приемника солнечного излучения в составе с парабо-лоцилиндрическим концентратором;
- экспериментальные исследования модуля, в которых определялись следующие параметры: температура окружающей среды, скорость ветра, прямая и отражённая от параболоцилиндрического концентратора солнечная радиация, направленная к трапецеидальному приемнику с вмонтированными фотоэлектрическими элементами, внутри которого циркулирует теплоноситель-вода, расход и температура воды, вольт-амперные характеристики и мощность фотоэлектрического преобразователя, etc. Максимальная электрическая мощность получена при т|ф^0,12, освещенности 700 Вт/м", г|о„т=0,729 при температуре ФЭП 43 °С и составила 254 Вт, 219 Вт при температуре 74 °С и 236 Вт - при 58 °С. КПД модуля 0,1146-0,1053;
- на экспериментальном солнечном модуле проведены исследования матричного высоковольтного фотоэлектрического модуля, состоящего из трех параллельно соединенных фотопреобразователей, закрепленных на трапецеидальном фотоприемнике. Показано, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при
непосредственном освещении солнечным светом, значения коэффициентов заполнения ВАХ m 0,728 и 0,660 соответственно.
Конструкция обеспечивает работу солнечного модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.
Литература
1. Стребков, Д С. Концентраторы солнечного излучения / Д.С. Стребков, Э.В. Тверьянович. - Москва: ГНУ ВИЭСХ,
2007.
2. Майоров, В.А. Расчет и анализ энергетических характеристик солнечных батарей различных типов / В.А. Майоров // Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве», часть 4. - Москва: ГНУ ВИЭСХ,
2008.
References
1. Strebkov, D.S., Tver'yanovich, E.V. (2007), "Concentrators of solar radiation" ["Kontsentratory solnechnogo izlucheniya"], GNU V1ESH, Moscow.
2. Mayorov, V.A. (2008) " Calculation and analysis of solar cells different types energy characteristics " ["Raschet i analiz ener-geticheskih harakteristik solnechnyh batarey razlichnyh tipov"], Proceedings of the 7th International Scientific Conference "Energy supply and energy in agriculture", part 4.
Сведения об авторах
Майоров Владимир Александрович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8(499)171-96-70. E-mail solarlab@mail.ru.
Стребков Дмитрий Семенович - академик РАН, директор ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия).
Трушевский Станислав Николаевич - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8-915-297-42-48. E-mail: tsn37@mail.ru.
Information about the authors Maiyorov Vladimir Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, head of laboratory, FSBS1 «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8(499)171-96-70. E-mail: solarlab@mail.ru
Strebkov Dmitriy Semenovich - academic RAS, director of FSBST «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia).
Trushevskiy Stanislav Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, leading research associate, FSBS1 «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8-915-297-42-48. E-mail: tsn37@mail.ru.
