CC BY
102
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК / UDC 523.9-35+523.9:620.93:621.3.08
КОЭФФИЦИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ЕГО ИЗМЕРЕНИЯ В СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ
THE CONCENTRATION COEFFICIENT OF SOLAR RADIATION AND METHODS OF MEASURING IT IN SOLAR POWER PLANTS WITH CONCENTRATORS
Стребков Д.С., академик РАН, доктор технических наук, профессор,
научный руководитель Strebkov D.S., Academician of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences, Professor, Scientific Supervisor Бобовников Н.Ю., аспирант Bobovnikov N.Yu., Postgraduate Student ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», Москва, Россия Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
Статья посвящена исследованиям коэффициента концентрации солнечного излучения и методам его измерения в солнечных энергоустановках с концентраторами. Приведены существенные признаки концентраторов солнечного излучения. Показана связь геометрической формы концентратора солнечного излучения с плотностью потока концентрированного солнечного излучения. Это позволяет нам приблизиться к определению наиболее существенного признака концентраторов солнечного излучения. Нахождение этого признака позволит построить научную классификацию концентраторов солнечного излучения. Классификация необходима для разработки новых типов солнечных модулей с концентраторами. Приведена схема потоков солнечного излучения в солнечном модуле с концентратором. Изменение плотности потока концентрированного солнечного излучения вызывает изменение величины тока фотоэлектрического измерителя плотности потока излучения (ФИППИ). Зная значения величин токов фотоэлектрического измерителя плотности потока излучения с концентратором и без концентратора можно вычислить значение коэффициента концентрации по току. Приведены технические параметры чувствительного элемента фотоэлектрического измерителя плотности потока излучения: удельное сопротивление 0,1 Ом*см, площадь чувствительной поверхности 0,4*0,8 мм, спектральная чувствительность 0,01-0,2 А/Вт для диапазона 0,5-1 мкм, диапазон измерения энергетической освещённости 4*10-1 - 4*103 Вт/см2. Рассмотрено непосредственное измерение коэффициента концентрации солнечного излучения в солнечных энергоустановках с концентраторами. Показана электрическая схема для снятия вольтамперной характеристики фотоэлектрического измерителя плотности излучения. Разобрана работа схемы при падении солнечного излучения на поверхность ФИППИ. Приведено значение нагрузочного сопротивления при токе 1мкА. Разработан метод измерения концентрации лучистых потоков с помощью фотоэлектрического измерителя плотности потока излучения.
Ключевые слова: гибридный солнечный модуль, энергоустановка, возобновляемая энергия, солнечный элемент, кремниевый солнечный элемент, коэффициент концентрации солнечного излучения, существенные признаки модулей концентраторами. фотоэлектрический измеритель плотности потока излучения.
The article is devoted to the research of concentration coefficient of solar radiation and methods of measuring it in solar power plants with concentrators. The essential indicators of modules with concentrators have been given. The interconnection of the geometric shape of a solar radiation concentrator with a density of the concentrated solar radiation flow has been shown. This allows us to approach the definition of the main indicators of the solar radiation concentrators. The
determination of the indicator allows to classify solar radiation concentrators. The classification is necessary for the development of new kinds of solar modules with concentrators. The scheme of solar radiation flows in the solar module with a concentrator is given. The change of density of a concentrated solar radiation flow causes the change in the current intensity in the photoelectric meter for radiation flux density (PMRD). Knowing the intensity of currents in the photoelectric meter for radiation flux density with a concentrator and without a concentrator, the value of the current concentration coefficient of solar radiation can be computed. The technical standards for the sensor of the photoelectric meter for radiation flux density is given: the resistivity is 0.1 Ohm*cm, the square of a sensor surface is 0.4x0.8 mm, the spectral response is 0.01-0.2 a/W for range of 0.5-1 ^m, the range of solar radiation change is 4*10-1 - 4*103 W/cm2. The direct measurement of the solar radiation concentration coefficient in the solar power plants with concentrators has been given and the electrical circuit for reading the volt-amps diagram of the photoelectric meter for radiation flux density has been shown. The article contains the information on the work of circuit under the influence of the solar radiation on the surface of the photoelectric meter for radiation flux density. The value of the resistivity constant with current equal to 1 ^A has been given and the method of measuring solar flows with the photoelectric meter for radiation flux density has been developed. Key words: hybrid solar modules, solar power plant, renewable energy, solar cell, silicon solar sell, concentration coefficient of solar radiation, essential indicators of modules with concentrators, photoelectric meter for radiation flux density.
Введение. Концентратор солнечного излучения - это устройство повышающее плотность потока солнечного излучения.
Существенными признаками концентраторов солнечного излучения являются:
1. уровень повышения плотности солнечного излучения или степени его концентрации;
2. степень равномерности распределения плотности сконцентрированного излучения на приёмнике;
3. характер взаимодействия излучения с оптическими элементами систем концентратора солнечного излучения;
4. воздействие на спектральные характеристики сконцентрированного излучения;
5. число оптических элементов, последовательно участвующих в процессе концентрирования излучения;
6. расположение приёмника в совпадающем по направлению (проходящем) или встречном по отношению к солнечному потоку сконцентрированного излучения;
7. геометрическая форма концентратора солнечного излучения [1].
Геометрическая форма концентратора солнечного излучения связана с
плотностью потока концентрированного солнечного излучения.
Цель исследований - непосредственное измерение коэффициента концентрации солнечного излучения в солнечных энергоустановках.
Условия, материалы и методы. Концентратор на основе концентрической линзы Френеля имеет воспринимающую солнечные лучи поверхность в форме круга. Фокальное пятно концентратора также имеет форму круга. Отношение указанных площадей определяет геометрический коэффициент концентрации К солнечного излучения. Концентраторы, имеющие другую геометрическую форму, например, в виде линейной линзы Френеля воспринимают излучение поверхностью, в форме прямоугольника и имеют геометрический коэффициент
концентрации в у/К меньше, чем концентрическая линза Френеля. На рис. 1 показана схема потоков излучения в солнечном модуле с концентратором.
Рисунок 1 - Схема потоков солнечного излучения в солнечном модуле с
концентратором
Солнечное излучение на рис. 1, обозначенное цифрой 2, падает на апертуру концентратора 1, сконцентрированное излучение 3 направляется на апертуру приёмника 4 [2]. Отношение апертуры, на которую падает солнечное излучение к апертуре приёмника, связанной с преобразованием этого излучения в различные виды энергии, называется геометрическим коэффициентом концентрации. Формула 1 есть его математическое выражение:
А
С№во = - (1)
где А1 - апертура концентратора, на которую падает солнечное излучение;
А2 - апертура приёмника, связанная с преобразованием солнечного излучения в различные виды энергии.
Непосредственное измерение коэффициента концентрации солнечного излучения в энергоустановках является сложной задачей в связи с высокой плотностью лучистой энергии (1-3 квт*см-2). На заре развития гелиотехники метод измерения высоких уровней излучения заключался в замене замеров облучённости непосредственно в фокальном пятне измерением облучённости на изображении пятна. Этот метод требовал специального экрана, вторичного отражателя, диафрагмы, линзы, термобатареи актинометра АТ-50, специальной схемы водяного охлаждения [3].
К началу семидесятых годов двадцатого века не существовало стандартных приёмников лучистой энергии для непосредственного измерения коэффициента концентрации солнечного излучения. В 1977 году академик РАН Дмитрий Семёнович Стребков разработал фотоэлектрический измеритель плотности потока излучения (ФИППИ) [4, 5]. Исследования зависимости тока короткого замыкания МСЭ от освещённости, удельного сопротивления кремния и конфигурации р-п переходов показали, что при определённом соотношении между временем импульса излучения и временем жизни электронов в кремнии МСЭ имеют линейную характеристику и могут быть использованы для измерения распределения освещённости в оптических печах, в технологических лазерных установках и в солнечных фотоэлектрических модулях с концентраторами [6].
Результаты и обсуждение. Разработаны фотоэлектрические измерители плотности потока излучения (ФИППИ), предназначенные для измерения распределения энергетической освещённости в потоках излучения высокой интенсивности. Чувствительный элемент измерителя, показан на рис. 2, представляет собой матрицу из кремния с удельным сопротивлением 0,1 Ом*см с вертикальным р-п переходом и изотипным р-р+ переходом. Площадь чувствительной поверхности 0,4*0,8 мм. ФИППИ позволяет измерять энергетическую освещённость в диапазоне 4Х10-1 - 4*10 Вт/см2. Спектральная чувствительность элемента составляет 0,01-0,2 А/Вт для диапазона 0,5-1 мкм. На рис. 3 изображены ФИППИ-1, который содержит один элемент и ФИППИ-13 с тринадцатью чувствительными элементами.
Рисунок 2 - Чувствительный элемент измерителя потока излучения
Ток ФИППИ измеряют под действием прямого солнечного излучения. Чувствительный элемент на короткий промежуток времени вносят в фокальную область концентратора, измерения проводят в импульсном режиме. Отношение величин токов ФИППИ с концентратором и без концентратора даёт значение коэффициента концентрации по току. Зная соответствия между значениями тока и энергетическими характеристиками потока солнечного изучения можно определить плотность потока концентрированного солнечного излучения.
Рисунок 3 - Фотоэлектрические измерители плотности потока излучения ФИППИ-1 (слева) и ФИППИ-13 (справа)
Для калибровки ФИППИ необходимо измерить вольтамперную характеристику чувствительного элемента, используя схему, изображённую на рис. 4.
Рисунок 4 - Электрическая схема для снятия вольтамперной характеристики фотоэлектрического измерителя плотности излучения
Солнечное излучение 2 попадает на поверхность ФИППИ, в котором преобразуется в электрический ток, протекающий по цепи через нагрузочное сопротивление 4. Вольтметр 5 показывает значение падения напряжения на сопротивлении 4, амперметр 3 позволяет следить за изменением силы тока в электрической цепи. При токе 1 мкА нагрузочное сопротивление 0,2 Мом.
Для калибровки измерителя плотности солнечного излучения требуется произвести три измерения потока излучения, исходящего от Солнца в 9:00, 12:30, 15:00, при ясной, безоблачной погоде. Значения солнечной радиации, полученные в ходе измерений, сравниваются с показаниями местной метеостанции. Измеряют суммарное, рассеянное и отражённое солнечное излучение. Единицей измерения служит Вт/м2 [7]. Сопоставляя ток ФИППИ с актинометрическими показаниями, мы можем произвести калибровку. Отградуированный ФИППИ позволяет производить измерения распределения плотности солнечного излучения в рабочем пятне концентратора.
Выводы: Повышение плотности солнечного излучения, измеряется величиной коэффициента концентрации. Геометрический коэффициент концентрации определяется формой поверхности, воспринимающей излучение. Таким образом, уровень повышения плотности солнечного излучения оказывается, связан с геометрической формой концентратора солнечного излучения. Это позволяет нам приблизиться к определению наиболее существенного признака концентраторов солнечного излучения, то есть такого признака, от которого зависят и из которого вытекают все другие признаки устройств повышающих плотность солнечного излучения. Определив существенный признак указанных устройств, мы построим классификацию концентраторов солнечного излучения. Научно обоснованная классификация, устройств, повышающих плотность солнечного излучения, необходима для разработки новых типов солнечных модулей с концентраторами. На основе ФИППИ разработана электрическая схема измерения коэффициента концентрации солнечного излучения. Малые размеры ФИППИ-1 позволяют с его помощью измерять лучистые потоки практически в точке, не искажая поля излучения в процессе измерения. ФИППИ-13 позволяет измерять распределение освещённости в пятне диаметром 10 мм.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Бобовников Н.Ю. Классификация концентраторов излучения для ФЭП // Возобновляемая и малая энергетика - 2017. Энергосбережение. Автономные системы энергоснабжения стационарных и подвижных объектов: докл. Междунар. науч. конф. Москва 2017.
2. O'Gallagher J.J. Nonimaging Optics in Solar Energy. A Publication in the Morgan & Claypool Publishers series, 2008. 133 p.
3. Концентраторы солнечной энергии / Арсеньев Н.Н., Ищенко Е.Ф., Калинина Л.Ф. [и др.]. Ленинградское отделение издательства «Энергия»: 1972. 64 с.
4. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы Т. 2 М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. 268 с.
5. Фотоэлектрические измерители плотности потока излучения / В.В. Афян, Л.П. Кудешова, Т.А. Лиценко [и др.] // Использование солнечной энергии. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Часть 2. Ашхабад: АН ТССР, 1977. С. 287-288.
6. Converts of the concentrated solar radiation based on high-voltage matrix silicon structures / V.M. Evdokimov, V.V. Zadde, A.F. Milovanov et al. // 27 Congress International Astronautical Federation. Anaheim California, Oct. 1976. IAF-76-251.
7. Стребков Д.С. Физические основы солнечной энергетики М.: ВИЭСХ, 2015. 160 с.
