CC BY
126
ШЕСТОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УКЛАД: МЕХАНИЗМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
13-14 ноября 2015 г.
УДК 620.97
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ
Д. Ш. Ахмедов, Д. И. Ерёмин, Н. И. Ягфарова, Д. Г. Кемешева
В настоящее время большинство небольших организации и частных лиц заинтересованы в использовании солнечных панелей как источника электроэнергии в частных секторах. Однако использование солнечных панелей частными лицами является не самым экономически эффективным решением по причине дорогостоящего оборудования и низкой энергоэффективности солнечных батарей. Более подходящим способом увеличения получаемой солнечной энергии является увеличение количества светового потока на поверхность панели. Чтобы поглощать максимальное количество солнечной энергии плоскость солнечной панели должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам. Для усиления падающих на поверхность панели солнечных лучей применяются концентраторы. В данной статье рассматривается два способа повышения эффективности солнечных батарей - это оптимизация положения панелей и концентрирование световых лучей на панель. Оптимизация положения панелей, то есть непрерывное слежение за Солнцем в течение суток требует постоянного перпендикулярного положения панели к солнечным лучам. Второй способ повышения эффективности солнечных батарей основан на установке солнечной панели с оптическими системами, т. е. увеличения плотности энергии падающих солнечных излучении с помощью концентраторов.
В общем случае система концентрации может быть определена как специальная оптическая система, предназначенная для улавливания и перераспределения в пространстве потока солнечного излучения с целью повышения его плотности до уровня наиболее эффективного использования.
Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, световодов и т. д. Однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения, в практике целесообразным является использование лишь зеркальных отражателей.
В статье рассматривается способ У-образной установки зеркал относительно солнечной панели, кроме этого увеличена глубина подошвы устройства, таким образом чтобы наклонные стороны действовали как рефлексивные элементы, результатом чего является фотогальванический тепловой концентратор как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - У-образная солнечная панель с зеркалами
Поверхности всех отражателей основаны на принципе преломлении солнечных лучей, где угол падения равняется углу отражения а = у. Таким образом, если направление входя-
Д. Ш. Ахмедов, Д. И. Ерёмин, Н. И. Ягфарова, Д. Г. Кемешева
щего солнечного излучения известна, то гладкая поверхность отражателя может быть помещена в путь входящего луча и излучения, отраженного к некоторому предопределенному
расположению (рисунок 2).
Рисунок 2 - Отражение и преломление света от поверхности зеркала
Кроме того, для долгосрочного служения солнечной панели в коррозийном климате было предложено покрыть концентратор листом зеркала из нержавеющей стали. Для максимального концентрирования солнечного света на панель предлагается, чтобы зеркала были наклонены к подошве устройства на ф = 25° и соотношение области апертуры (А) на область подошвы (а) было равно на С = 2.36 (рисунок 3).
Рисунок 3 - Эффективная площадь солнечной панели с концентраторами
Для предложенного дизайна предлагается применить уравнение, в котором нужно рассмотреть только одно отражение от каждой боковой стены, это гарантирует однородное освещение поглощающей поверхности и позволяет использовать стандартные поликристаллические клетки. [1]. Отсюда часть солнечного излучения на апертуре, которая достигает поглотителя у основания корыта без отражения (Po), определяется следующим образом:
ri+ , v <l0i | <ao
\C 2C cos 0¿ sin <p i П — 0
po= i i.|e, | <„ (1)
0, в остальных случаях
где, в ¿ - угол излучения плоскости подошвы устройства к нормали (рисунок 3), C - геометрическое отношение концентрации (A/a=2.36), и а0 - максимальный угол излучения [2]:
"0= tan-1 (£+1] 3 (2)
Основные параметры солнечной панели с концентраторами
Часть отраженного излучения, которое достигает абсорбера от правой стены устройства (РП), определяется (3), и излучение от левой (РЛ) стены (4):
(С-1 81п(0( +(р)
, -ф<вь<а2
Ри =
2С cos 0¿ sin (р
cos (вi + 2У) ^ < Й< (3)
С cos 8, ' "2< 9i<a° W
0, в остальных случаях
Pa(0Í ) = Pu(-0f), (4)
где а2 - угловая степень, в которой происходит универсальное освещение абсорбера [3]. Для концентратора, подвергающегося единственному отражению, это может быть определено
(5):
i ——-sin да cos 2да—sin да \
«2 = tan-1 ( 2С—1 2 + . У ), (5)
\ —^sm (р sin 2(р+ sin cos (р I
Оптическая эффективность r¡ концентратора определяется следующим уравнением:
V = ^о + ( Ри + РЛ)Р , (6)
где коэффициент отражения (р) нержавеющей стали равен р = 0.67 [4].
В статье определен угол установки зеркальных отражателей к поверхности подошвы устройства, коэффициент и эффективность концентратора.
На основании определенных параметров, можно сделать вывод, что концепция солнечной панели с концентраторами возможна и имеет потенциал, при этом также дает значительное повышение производительности по сравнению с существующими фотоэлектрическими модулями. Использование бюджетных светоотражающих материалов снижает стоимость подобных солнечных панелей, а также повышает их энергетическую эффективность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chong, K.K., Chay, K.G., Chin K.H., Study of a solar water heater using stationary V-trough collector, интернетресурс http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148111004459, времяобращения 11:50 07.09.2015
2. Fraidenraich, N., Analytic solutions for the optical properties of V-trough concentrators, интернетресурс https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-31-1-131, времяобращения 11:50 07.09.2015
3. Fraidenraich, N., Design procedure of V-trough cavities for photovoltaic system, интернетресурс http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/(SICI)1099-159X(199801/02)6:1%3C43::AID-PIP200%3E3.0.C0;2-P/abstract, времяобращения 11:50 07.09.2015
4. Karlsson, B. & Ribbing, C. G., Optical constants and spectral selectivity of stainless steel and its oxides, интернетресурсhttp://adsabs.harvard.edu/abs/1982JAP....53.6340K, время-обращения 11:50 07.09.2015
