CC BY
49
Сергей
Андреевич .-■■-■
ТРЕМБАЧ
<>5
Магистр, Череповецкий государственный *ц
университет, Россия
ПРОБЛЕМА ПЕРЕГРЕВА СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ. СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЯ ПОНИЖЕННЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВЫ
гцли
Аннотация: Перегрев фотоэлектрических панелей - одна из самых острых проблем солнечной энергетики, при котором их коэффициент полезного действия (КПД), а также срок службы уменьшаются. Предложены два варианта способа охлаждения фотоэлектрических панелей с использованием пониженных температур почвы - с конструкцией погребного типа и без неё. Произведён расчёт эффективности охлаждения фотоэлектрической панели данным способом, выраженный как в рассчитанной разнице КПД, так и разнице мощности на конкретной модели и с конкретными параметрами панели.
Ключевые слова: Фотоэлектрическая панель, охлаждение, перегрев, фотоэлемент, выработка электрической энергии, КПД солнечной панели, конструкция погребного типа, погреб, радиатор, теплоотводы, плотность солнечных лучей.
Цель работы: Предложение принципиально нового способа охлаждения фотоэлектрической панели для увеличения её КПД и срока службы, не требующего затрат электрической энергии, используя пониженные температуры почвы.
У солнечной энергетики имеется множество недостатков, таких как: высокая стоимость, зависимость от расположения фотоэлектрических панелей, токсичные составляющие фотоэлементов, зависимость выработки фотоэлектрических панелей от времени суток, времени года, наличия дождя и пасмурной погоды, уменьшения КПД панели с увеличением её температуры. Однако, несмотря на все данные недостатки, солнечная энергетика является перспективным источником электрической энергии благодаря тому, что технологии и состав фотоэлементов и их эффективность постоянно совершенствуются [1].
КПД фотоэлектрических панелей
Двадцать лет назад хорошим КПД фотоэлектрической панели считался интервал 20-25%. В наше время, КПД удалось поднять до уровня в 46% за счёт перехода на фотоэлементы из арсенида галлия.
Проблема перегрева фотоэлектрических панелей — одна из актуальнейших проблем данной сферы, даже при появлении фотоэлементов из арсенида галлия, которые менее подвержены эффекту перегрева, чем их предшественники — кремниевые аналоги. Перегрев фотоэлектрической панели не только уменьшает КПД, но также срок её службы. Рассмотрим проблему перегрева подробнее.
Проблема перегрева фотоэлектрических панелей
Как уже упоминалось ранее, чем выше температура фотоэлектрической панели, тем меньше становится её КПД.
Уменьшение КПД панели в зависимости от её температуры рассчитывается по формуле:
Чр, = Чо ■ (1-0,0045 ■ (Тр| — 25)) [2]
где: чр| — КПД фотоэлектрической панели,%;
Ч0 — КПД фотоэлектрической панели при температуре 25°С,%;
Тр| — температура поверхности фотоэлектрической панели, °С [3-4].
Исходя из формулы, при нагреве фотоэлектрической панели до 90°С, выработка электроэнергии ею уменьшится на 30%, по сравнению с его производительностью при 25°С. Нагрев фотоэлектрической панели до 90°С свойственен районам с более плотным потоком световых лучей, таким как пустыни и экваториальные области.
Также перегрев фотоэлектрических панелей провоцирует уменьшение срока её службы, что также является крайне негативным фактором этого явления, помимо уменьшения КПД панели [2].
Способ охлаждения фотоэлектрических панелей, используя пониженные температуры почвы
Предлагается два варианта способа решения проблемы перегрева фотоэлектрических панелей при помощи пониженных температур почвы.
Первый вариант способа
Как известно, температура под поверхностью земли держится на определённом уровне, например, на широтах 55-60° северной широты России, она находится
в районе +5°С. Использовать данный эффект хорошо получается в подземных «холодильниках», или, как их называют, погребах. Погреб — это постоянное помещение для хранения припасов, в основном, сельскохозяйственной продукции. Погреб представляет собой яму с крытым верхом и укреплёнными стенами или же нижнюю нежилую часть дома, подвал.
Первым вариантом способа решения проблемы перегрева фотоэлектрических панелей является «погребная конструкция», располагаемая под самой панелью, и уходящая под землю на расстояние, которое зависит от окружающих данную панель климатических условий: чем жарче, тем глубже (в среднем на 3-10 метров). Схематичное изображение такой конструкции изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Фотоэлектрическая панель с «погребной конструкцией»
Охлаждение фотоэлектрической панели при помощи погребной конструкции происходит следующим образом. Под фотоэлектрической панелью (позиция 1 на рисунке 1) располагается помещение погребного типа 2. Помещение погребного типа конструируется в почве 3 на глубине, зависящей от окружающего климата. К фотоэлектрической панели 1 присоединена теплоотводящая конструкция 4 из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, например, из меди или алюминия. Данная теплоотводящая конструкция переходит в помещение погребного типа в виде радиаторов 5, которые отводят тепло от фотопанели в помещение погребного типа, в котором температура будет повышаться днём из-за передачи тепла от фотоэлектрической панели по теплоотводам, и понижаться ночью за счёт теплообмена с землёй.
Данный способ применим не только к панелям, установленным на земле, но и на определённой высоте от земли. В данном случае теплоотвод необходимо заключить в теплоизоляционную конструкцию.
Данная технология будет эффективна даже в пустынях при наличии песчаной по-
верхности, так как песок обладает плохой теплопроводностью, за счёт чего днём не происходит нагрева песка на необходимых глубинах. На глубине 5-7 метров в помещении погребного типа температура будет опускаться примерно до 8-13°C.
Рассчитаем КПД (qpi) фотоэлектрической панели, охлаждаемой данной системой. Предположим, фотопанель нагревается до 70°C. Исходя из того, что разница температур 70°C самой панели и 5°C в помещении погребного типа, можно рассчитать КПД и температуру данной панели, получаемые при помощи охлаждения фотоэлектрической панели данным способом.
Для расчёта возьмём современную фотоэлектрическую панель из арсенида галлия с КПД, равным 46% при 25°C. Средняя температура между 5°C и 70°C, которая установится при теплообмене, равняется 37,5°C. Исходя из формулы расчёта КПД, описанной выше, получаем:
qp. = 46 ■ (1-0,0045 ■ (37,5-25)) qp. = 46 ■ (1-0,05625) qpi = 46 ■ 0,94375 q i = 43,4125 (%)
Теперь же рассчитаем КПД этой же панели (цр. 70°) при её нагреве до 70°С (отсутствие системы охлаждения).
qp,70° = 46- (1-0,0045 ■ (70-25)) qp,70° = 46 ■ (1-0,2025) qpi70° = 46 ■ 0,7975 qP70° = 36,685 (%)
В итоге, КПД фотоэлектрической панели снижается до 43,4125%. Разница КПД составит 2,5875% от своего значения при 25°С и 6,7275% от значения при нагреве до 70°С, что равняется почти 15% от КПД данной панели при 25°С.
Второй вариант способа
Вторым вариантом способа охлаждения фотоэлектрических панелей является аналог первого, но без постройки помещения погребного типа, а прямая прокладка охлаждающего контура в почве.
Реализовать такую концепцию даже проще — отсутствует необходимость после выкапывания области под радиатор строить помещение погребного типа, а просто после прокладывания радиаторной конструкции, засыпать место землёй.
Однако, минусом такого способа является необходимость применения коррозие-стойких материалов для радиаторной конструкции, так как использование теплопро-водящих металлов с низкой стойкостью к коррозии быстро приведёт её в негодность.
Расчёт увеличения генерируемой мощности от установки охлаждающей конструкции
Для расчёта возьмём территориально область южной части России, в которой энергетическая плотность светового потока равна, примерно, 1000 Вт-ч/м2.
Также для расчётов предположим, что было решено применить охлаждающую конструкцию, описанную в рамках данной статьи, для фотоэлектрической панели площадью 4 м2. Фотопанель была изготовлена по новейшим технологиям и имеет КПД, равный 46%.
Рассчитаем генерируемую мощность при нагреве фотоэлектрической панели до 70°С при использовании охлаждающей конструкции и без неё.
Итак, с фотоэлектрической панели площадью Б, равной 4 м2, при средней энергетической плотности светового потока W в 1000 Вт-ч/м2 и КПД ч, равном 36,685% (0,36685) при нагреве до 70°С (расчёт КПД был приведён выше), генерируемая мощность Р1 будет следующая:
Р1 = W ■ Б ■ ч Р1 = 1000 ■ 4 ■ 0,36685 Р1 = 1467,4 (Вт)
Теперь рассчитаем генерируемую мощность при охлаждении фотоэлектрической панели до 37,5°С (ч = 43,4125, или 0,434125):
Р2 = 1000 ■ 4 ■ 0,434125
P2 = 1736,5 (Вт) Разница между P2 и P1: P2 - P1 = 1736,5-1467,4 P2 - P1 = 269,1 (Вт)
Разница между Р2 и Р1 составила 269,1 Вт. Следовательно, разница энергий, генерируемых данной панелью при 70°С и 37,5°С, будет равна 269,1 Вт/ч.
За сутки разница генерируемой мощности составит 6458,4 Вт. За месяц разница составит 193752 Вт, что практически равно 194 кВт. Также преимуществом охлаждения фотоэлектрической панели является увеличение её срока службы, что также является большим плюсом установки охладительной системы первого или второго вида (с помещением погребного типа и без него).
При стоимости 1 кВтч в Ростове-на-Дону, находящегося на южной территории России, равном 4,73 рубля, и увеличении выработки фотоэлектрической панели на 194 кВтч в месяц, получаем сумму в 917,62 рублей экономической выгодны от установки охлаждающей конструкции для фотопанели площадью 4 м2. В год экономическая выгода будет составлять 11011,44 рублей. Также необходимо помнить, что установка охлаждающей конструкции также помимо прямого экономического эффекта, увеличивает срок службы фотоэлектрической панели.
Выводы
1. Проблема перегрева солнечных панелей — одна из самых острых проблем в сфере солнечной энергетики, которая влияет не только на КПД панелей, но и на их срок службы.
2. Используя пониженные температуры под поверхностью земли, можно охлаждать солнечные панели, отводя тепло от них по специальным теплоотводам, тем самым увеличивая долговечность и КПД фотопанели.
Литература
1. Дашеев С.С., Малышев Е.А. Солнечная энергетика: состояние и перспективы//Вестник науки и образования.— 2018.— № 53.— С. 51-53.
2. Трембач С.А. Проблема перегрева солнечных панелей. Способ решения проблемы путём электронной тониров-ки//Энергетический вестник.— 2020.— № 26.— С. 45-50.
3. Джумаев А.Я. Анализ влияния температуры на рабочий режим фотоэлектрической солнечной станции//Технические науки — от теории к практике: сб. ст. по матер. XLVI междунар. науч.-практ. конф. № 5 (42).— Новосибирск: СибАК, 2015.
4. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане.М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012.— 496 с.
