CC BY
35
УДК 621.383
ИССЛЕДОВАНИЕ КОГЕНЕРАЦИОННОГОСОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ С ПРИЗМЕННЫМ КОНЦЕНТРАТОРОМ
Д.С. СТРЕБКОВ1, академикРАСХН, директор И.В. МИТИНА1, кандидат технических наук, зав. сектором
Я.ЧАРЫЕВ2, зав. кафедрой К. САРЫЕВ3, старший преподаватель всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
2Туркменский государственный институт транспорта и связи
3Туркменский государственный энергетический институт
E-mail: [email protected]
Резюме. Исследования проводили с целью разработки оптической схемы и расчета оптических и энергетических характеристик когенерационного солнечного модуля с призменным концентратором и зеркальными отражателями на рабочей и тыльной поверхности для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию и теплоту. Оптическая схема предложенного солнечного модуля, в отличие от других известных, содержит зеркальные отражатели на рабочей поверхности, расположенные над неработающими зонами, которые возникают при возвращении лучей от зеркальных отражателей на тыльной поверхности к фокусирующей призме. Поэтому в рассмотренной оптической схеме оптические потери отнера-ботающих зон отсутствуют. Получены аналитические выражения для размеров неработающих зон и зон перекрытия лучей зеркальными отражателями на рабочей и тыльной поверхности фокусирующей призмы. Расчеты проведены для хода лучей, перпендикулярных рабочей поверхности модуля и отклоняющихся от нормали к поверхности на угол ß0. Сформулированы условия полного внутреннего отражения лучей в фокусирующей призме в зависимости от угла 5 наклона зеркального отражателя к нормали рабочей поверхности, острого угла ф фокусирующей призмы и угла у наклона зеркального отражателя на тыльной поверхности к поверхности фокусирующей призмы. Из сравнения трех типов оптических сред фокусирующей призмы сделан вывод, что для когенерационного модуля можно использовать дистиллированную воду, для фотоэлектрического модуля целесообразно применение кремний-органических жидкостей и полисилоксано-вого геля. При КПД солнечных элементов 15%, оптическом КПД 80% полный электрический КПД солнечного модуля составит 12%, тепловой КПД 40%, пиковая электрическая мощность при освещенности 1 кВт/м2 и площади модуля 0,6 м2 72 Вт, пиковая тепловая мощность 240 Вт. Геометрический коэффициент концентрации к = ctg ф при 5=31,5о, ф = 8о, у= 25о составит к= ctg 8'= 7,15, реальный коэффициент концентрации с учетом оптических потерь будет равен к=5,72. Это означает, что площадь абсорбера и площадь солнечных элементов снижается, по сравнению с планарными модулями и солнечными коллекторами без концентраторов, в 5,72 раза. Ключевые слова: солнечная энергия, призменный концентратор, когенерационный фотоэлектрический модуль.
содержащие прозрачную фокусирующую призму, имеющую образующий острый угол грани входа и переотражения излучения, грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, расположенное относительно фокусирующей призмы с зазором со стороны грани переотражения излучения. Устройство отражения выполнено в виде, по меньшей мере, одной призмы с треугольным поперечным сечением, имеющей образующие острый угол, грань входа проходящего через фокусирующую призму излучения и грань зеркального отражения излучения и расположенной своим острым углом однонаправлено с острым углом фокусирующей призмы [1].
Выполнение отражающего устройства в виде призмы позволяет ввести отраженное излучение в фокусирующую призму под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения.
Цель нашей работы - разработка оптической схемы и расчет оптических и энергетических параметров когенерационного солнечного модуля с призменным концентратором и зеркальными отражателями на рабочей и тыльной поверхности для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию и теплоту.
Условия, материалы и методы. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором (рис. 1) содержит приемник 1, фокусирующую призму 2 с гранью входа 3, которая совпадает с рабочей поверхностью 4 и гранью переотражения 5, устройство отражения 6 и, в отличие от известных призменных концентраторов, дополнительные зеркальные отражатели 7 на рабочей поверхности 4. Острый двухгранный угол ф есть угол между рабочей поверхностью 4, на которую падает излучение, и гранью переотражения 5. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 4
В 1984 г. были разработаны солнечные модули,
Рис. 1. Солнечный модуль с призменным концентратором и зеркальными отражателями на рабочей и тыльной поверхности.
есть угол ро между лучом и вектором л0, перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.
Острый двухгранный угол у - это угол между гранью переотражения 5 фокусирующей призмы 2 и устройством отражения 6. Устройство отражения 6 содержит зеркальные отражатели 8, которые наклонены под углом у к грани переотражения 5 и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота 9 относительно грани переотражения 6. Зеркальные отражатели 7 наклонены к рабочей поверхности под углом 90°-8, где 8 - угол между плоскостью зеркального отражателя 7 и нормалью п к рабочей поверхности 4, и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота 10 относительно рабочей поверхности модуля. Приемник 1 установлен перпендикулярно рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2.
В варианте конструкции на торце фокусирующей призмы 2 перпендикулярно рабочей поверхности 4 установлен зеркальный отражатель, а приемник 1 с двухсторонней рабочей поверхностью расположен горизонтально рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2 в непосредственной близости у зеркального отражателя [2, 3].
Приемник 1 выполнен в виде скоммутированных солнечных элементов. В варианте конструкции модуля приемник 1 представляет собой тепловой абсорбер для получения тепловой энергии. Наиболее перспективно использование гибридного приемника 1, содержащего скоммутированные солнечные элементы, установленные на тепловом абсорбере с отводом и утилизацией тепловой энергии.
Зеркальные отражатели 7 расположены над неработающими зонами 11 на рабочей поверхности 4, которые возникают при возвращении лучей от зеркальных отражателей 8 в фокусирующую призму 4 на грань переотражения 5.
Для увеличения вырабатываемой мощности солнечного модуля с концентратором на рабочей поверхности 4 у острого угла фокусирующей призмы 2 параллельно отражателю 7 установлен дополнительный зеркальный отражатель 12. Зеркальный отражатель 8 у приемника 1 содержит дополнительный зеркальный отражатель 13 для отражения излучения непосредственно на приемник 1.
Фотоэлектрический модуль работает следующим образом. Солнечное излучение луч Л1 падает на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 2 под углом Р0 (см. рис. 1), входит в призму 2 под углом Р1 попадает на грань переотражения 5 под углом Р2, выходит из призмы 2 под углом рз, попадает на зеркальный отражатель 8 под углом Р4, отражается и попадает на грань переотражения 5 под углом Р5, преломляется в фокусирующей призме 2 под углом Р6 и падает на рабочую поверхность призмы 2 изнутри под углом Р7, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения Р7 > arc sin 1/n, где n - коэффициент преломления материала призмы 2. После полного внутреннего отражения излучение попадает на приемник 1.
Результаты и обсуждение. Для лучей Л1, нормальных к грани входа 3, углы между нормалью к поверхности и лучом имеют следующий вид:
Р0 = 0, р1 = 0, р2 = ф, p3 = arcsin (n-sin9) (1)
Р4 = arcsin (п^тф) + у, (2)
Р5 = arcsin (п^тф) + 2у,
arcsin
sin [arcsin (л • sincp)+24/ ]
(3)
(4)
ísinfarcsin (п ■ sin<p)+Ъи 1]
р7 = arcsin +ф
(5)
Для фокусирующей призмы 2 с ф = 8°, у = 25°, п = 1,5 величины указанных углов равны: ро = 0, Р1 = 0, Р2 = 8°, Р3 = 12,2о, р4 = 37,2°, р5 = 62,2°, Р6 = 35,6°, Р7 = 43,6о. Для стекла с п=1,5 угол полного внутреннего отражения равен а=41,8°. Таким образом, Р7>а и луч не выходит за пределы фокусирующей призмы 2.
Углы ф, у и угол полного внутреннего отражения а = агсвЫ/п, где п - коэффициент преломления материала фокусирующей призмы, связаны между собой соотношением:
arcsin
sin [arcsin (л ■ sin<p)+2»|/ ]
+ ф > а
(6)
Угол 8 между плоскостью дополнительного зеркального отражателя и нормалью к грани входа связан с углами ф и а следующими соотношениями: , подставив Р5 из (3), получим
(7)
Условие полного внутреннего отражения для лучей с углом входа в фокусирующую призму 2 - р=28.
зт(26)
arcsin
+<р>а.
(8)
Для лучей Л2 с углом падения на грань входа 3 -Р0 > 0, который равен углу между направлением луча и нормалью п к поверхности, в ходе лучей углы между нормалью к поверхности и лучом имеют следующий вид:
^¡пр0
Р0 * 0, Pj = arcsin
Р2 = arcsin
sinp,
л
+Ф
Рз = arcsin ^ л • sin
Р4 = arcsin^л sin
arcsin
arcsin
sinp/
sinp0
+ <p
+ Ф
P5 = arcsin^л sin
arcsin
'sinp/
+Ф
+V
+ 2\|/
sinjarcsin ■ ( ■ SinB. л-sin arcsin——+Ф LI "J } + 2y
л
sin-{arcsin
. ( . sinB. л sin arcsin—0
+ 2i|i
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
Углы ф, у, P0 и а связаны соотношением:
sinjarcsin ■ Í ■ sinp0 Y л sin arcsin— j + 24,
л
Углы 8, Р0 и ф связаны соотношением:
8 >— arcsin^ л -sin 2
arcsin
sinp0
+Ф
+ 2q1.
(15)
(16)
в
6
Из Д АВО2: АО2 =
АВ _ АВ _ AOl simp sin(90° - ps) _ cos р5 _ cos р5 '
Из Д АСО2: ДН=ТО2=АО2-о°8(90°-ф-р5)=А02-8т(ф+Р5),
(17)
н cosP5 '
где АО1 - длина зеркального отражателя 8. Найдем проекцию дополнительного зеркального отражателя 7 03F на грань входа (рис. 2 а). Из ДО3 FK: KO3=FO3-cos(90°-8)=FO3-sin8, где FO3 - длина зеркального отражателя 7. Из-за отклонения луча на выходе из грани переотражения на угол рз возникает перекрытие Д=йБ (рис. 2 б) проекций дополнительного зеркального отражателя 7 FO3 и зеркального отражателя 8 АО1 устройства отражения на грань входа 3 (рис. 2 б). Из Д АВО1: АВ=АО1- siny.
АВ _ AOi siny cos Рз cos Рз .
Из Д ABD: AD =
Из ДADE: .
_ ^OjSinvi/ sin(p3-p2)
cos Рз
(18)
Рис. 2. Оптическая схема солнечного модуля для определения размеров неработающих зон и зеркальных отражателей (а) и перекрытия лучей зеркальными отражателями (б).
При отсутствии дополнительных зеркальных отражателей 7 появляются неработающие зоны 11 на рабочей поверхности 4, которые возникают при возвращении лучей от зеркального отражателя 8 к фокусирующей призме (луч Р5 на рис. 1) и снижают оптический КПД солнечного модуля с концентратором. На рис.
1 для солнечного модуля с ф=8о, у=25° пунктирами показаны зеркальный отражатель 14, отраженный от этого зеркального отражателя луч 15, длина работающей зоны 16 и длина неработающей зоны 17, площадь работающей зоны составляет 55% от полной поверхности модуля, неработающей - 45%. В результате без зеркальных отражателей 7 оптический КПД модуля снижается на 45%. В предлагаемом солнечном модуле с концентратором оптические потери из-за неработающих зон 11 отсутствуют, так как по всей их площади на рабочей поверхности 4 установлены зеркальные отражатели 7, направляющие лучи под углом 28=Р5 к рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2. Длина зеркальных отражателей 7 выбирается из условия, что луч, отраженный от конца отражателя 7, попадает на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 2 у основания соседнего зеркального отражателя 7 или у приемника 1.
Определим размеры ДН неработающих зон 11 и размеры дополнительных зеркальных отражателей 7 для компенсации оптических потерь от неработающих зон 11 (рис. 2).
Найдем проекцию ДН линии О2А на грань входа (рис.
2 а).
Из Д АВО1: АВ=АО1- в1пф.
г, АО, этш зт(Р, -Р,)
Величина перекрытия Д=йБ= ,
СОБ Рз
где Ц0 - длина зеркального отражателя 8, Р2 и рз определяется из (1) при ро=0, (3) или (9), (10), (11), (123 при ро>0 и должна учитываться при проектировании солнечного модуля с концентратором.
эт\|/ эт|агс51пГлз1пср1-ср]-
Для р0=0 , (19)
cos{arcsin [л sirup]}
для Р0>0
siny sirw arcsin
A = V
. arcsin B„ nsin|-^ + ф
■ sinB„ -arcsin—-<[» n
cos-! arcsin
. farcsin B. nsin -с^+ф
(20)
Для изготовления солнечного модуля с концентратором из закаленного стекла толщиной 3 мм изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы 2 с двухгранным углом при вершине 8о, а затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой.
При использовании в качестве оптически прозрачной среды дистиллированной воды уменьшение тока солнечного элемента 1(. при увеличении толщины слоя
воды х описывается соотношением: I(x)=Ige-sx,
где I0 - ток
солнечного элемента в приповерхностном слое воды.
Коэффициент поглощения воды, измеренный кремниевым солнечным элементом, составляет 2,5 м-1, при этом средняя толщина слоя воды, в которой ток солнечного элемента уменьшался в е=2,73 раза, составляет 40 см. При длине фокусирующей призмы 2 (см. рис. 1) 0,5 м длина пути луча Л1 внутри этой призмы составляет 0,24 м. Поток фотоактивного излучения на приемнике М0е'0'6 = 10/1,82 уменьшается в 1,82 раза. Таким образом, на приемник поступает 55,5% энергии излучения, а 45,5% солнечного излучения поглощается внутри фокусирующей призмы 2. Поглощенная энергия, в основном в длинноволновой части спектра, используется для повышения температуры воды. Благодаря конвекции горячая вода поднимается в верхнюю часть
солнечного модуля и нагревает приемник. Солнечное излучение в коротковолновой части спектра концентрируется в фокусирующей призме, поглощается в приемнике и преобразуется в электрическую энергию в солнечных элементах. Таким образом, обеспечивается энергоэффективное преобразование солнечной энергии в электрическую и тепловую в гибридном приемнике или только в тепловую энергию для горячего водоснабжения и отопления в приемнике с тепловым абсорбером [2].
Если использовать полиметилсилоксановые жидкости, более 90% солнечного излучения будет поглощаться в приемнике благодаря низкому коэффициенту поглощения излучения в жидкости. Полиси-локсановый гель заливают в полость фокусирующей призмы 2 в жидком виде, а потом проводят его отверждение - структурирование. В этом случае высокая прозрачность и отсутствие утечек геля при случайной разгерметизации полости фокусирующей линзы обеспечивают высокий оптический КПД и большой срок службы солнечного модуля с концентратором.
Объем оптически прозрачной среды внутри полости фокусирующей призмы зависит от размера солнечного модуля и угла ф. Для солнечного модуля с концентратором размером длиной L = 0,5 м, шириной й =1,2 м объем оптически прозрачной среды для угла ф=8о составит 22,5 л, для ф=3о - 8,4 л.
При КПД солнечных элементов 15% и оптическом КПД - 80% полный электрический КПД солнечного модуля будет равен 12%, тепловой КПД - 40%, пиковая электрическая мощность при освещенности 1 кВт/м2 и
площади модуля 0,6 м2 - 72 Вт, пиковая тепловая мощность - 240 Вт. Геометрический коэффициент концентрации к = ctg ф при 8 = 31,5о, ф = 8о и у= 25° составит к = ctg 8о = 7,15, а реальный коэффициент концентрации с учетом оптических потерь - к = 5,72. Это означает, что площадь абсорбера и площадь солнечных элементов снижается, по сравнению с планарными модулями и солнечными коллекторами без концентраторов, в 5,72 раза.
Когенерационный солнечный модуль с призменным концентратором может быть использован в автономных установках со слежением за солнцем и в энергоактивных зданиях в качестве модуля фотоэлектрического фасада и солнечной крыши.
Выводы. Разработана оптическая схема когене-рационного солнечного модуля с концентратором, которая позволяет пропорционально коэффициенту концентрации снизить потребление металла для абсорберов, по сравнению с известными солнечными коллекторами, и площадь солнечных элементов, по сравнению с солнечными планарными модулями без концентраторов.
В результате расчета оптико-энергетических параметров модуля получены уравнения для расчета хода лучей в модуле, углов наклона зеркальных отражателей, коэффициента концентрации, оптических потерь в призменном концентраторе при использовании в качестве оптической среди дистиллированной воды, по-лиметилсилоксановых жидкостей и полисилоксанового геля, определены геометрические и энергетические характеристики.
Литература.
1. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. М.: ГНУВИЭСХ, 2007. С. 86-107.
2. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. М.: изд. ГНУ ВИЭСХ, 2012, С. 417-446.
3. Розанцева Д.Д., Розанцев М.В., Стребков Д.С. Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления. Патент РФ №2503895. Заявл. 08.09.2011 г. опубликовано 10.01.2014г. Б.И.№1.
INVESTIGATION OF ^GENERATION SOLAR MODULE WITH PRISM CONCENTRATOR D.S. Strebkov1, I.V. Mitina1, Y. Charyev2, K. Saryev3
1All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture 2Turkmen State Institute of transport and communication 3Turkmen State Power Institute
Summary. The Purpose of research is to develop optical scheme and calculation of optical and energetic characteristics of solar cogeneration module with prism concentrator and mirror reflectors on the operating and back surfaces to convert solar energy into electrical and thermal energy. Optical scheme of the solar module unlike known modules, contains a mirror reflectors on the operating surface, which are located on a dead zone that arise when returning rays from the mirror reflectors on the back surface are directed to a focusing of prism. Therefore optical losses from the stagnating areas in the considered optical scheme are missing. The analytical expressions for the size of non-performing areas and areas of overlap rays mirror for reflectors on the operating and back surface of focusing prism are presented. The calculation of the rays are conducted for the rays of the solar radiation, perpendicular to the operating surface of the module and for beams, deviating from the normal to the surface at an angle po. The conditions of total internal reflection of rays in focusing prism, depending on the angle 5 tilt mirror reflector to normal plane of operating surface, acute angle ф focusing prism and у angle tilt of mirror reflector on the rear surface to surface of focusing prism. From the comparison of three types of focusing prism optical media it is concluded that for cogeneration module one can use distilled water, for PV module is the appropriate use of silicon-organic liquids and polysiloxane gel. When the solar cells efficiency 15%, optical efficiency is 80% the total electrical efficiency of solar module will be 12%, thermal efficiency of 40%, the peak electric capacity 72 W at illumination of 1 kW/m2 and module surface area 0,6 m2, maximum thermal capacity of 240 W. Geometric concentration coefficient k = ctg ф, when ф = 8o, 5 =31,5o, у = 25° will amount to ctg 8o = 7,15. Real ratio concentration considering optical losses will amount to = 5,72. This means that the area of the absorber and the area of solar cells is reduced in comparison with planar modules and solar collectors without concentrators in 5,72 times. Cogeneration solar module with prism concentrator can be used in stand-alone installations with tracking the Sun and as a module of photovoltaic facade and a solar roof in the buildings.
Keywords: solar energy, prism concentrator, cogeneration PV module.
