CC BY
78Аннотация: В летние жаркие периоды солнечных панели нагреваются до 75 °С, а в экваториальных областях до 80-90 °С. Перегрев солнечной панели не только сокращает срок её службы, но и уменьшает её КПД. Современные солнечные панели из арсенида галлия с КПД равным 46% при 25 °С теряют 20% от своей выработки при 70 °С, и целых 30% при 90 °С. Также существует проблема уменьшения генерации электроэнергии солнечной панелью в зимние и вечерние периоды, когда температура солнечных панелей не высока, но из-за небольшой плотности потока солнечного излучения, выработка панели сильно проседает. В рамках данной статьи предложен способ регулирования температуры солнечных панелей, используя электронную тонировку линзы Френеля, установленной перед ней. Данный способ также увеличит выработку электроэнергии в зимние и вечерние периоды благодаря линзе Френеля, площадь которой значительно превышает площадь самой солнечной панели.
Трембач Сергей Андреевич
satrembach@yandex.ru
Череповецкий государственный университет, Россия
Ключевые слова: солнечная панель, перегрев, фотоэлемент, охлаждение, выработка электрической энергии, КПД солнечной панели, линза Френеля, электронная тонировка, фокусировка солнечных лучей, плотность солнечных лучей.
№ 2 6 | 2 0 2 0
ГЛОБАЛЬНЫЕ ВЫЗОВЫ НЕДАВНИХ ДНЕЙ
Фотоэлектрические панели являются основными элементами солнечной энергетики, генерирующей электричество используя энергию солнца. Однако у солнечной энергетики имеются как свои преимущества, так и недостатки.
Поток солнечного излучения, проходящий через площадь в 1 м2, которая располагается ему перпендикулярно, равен солнечной постоянной — 1367 Вт/м2. Из-за поглощения солнечного излучения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря, на Экваторе, равен 1020 Вт/м2. Однако, среднесуточное значение потока солнечного излучения будет меньше в связи со сменой дня и ночи и изменением угла падения солнечных лучей. В умеренных широтах зимой это значение в два раза меньше.
Перспективы солнечной энергетики
Самый дешёвый 1 Ватт установленной мощности фотоэлектрической панели (пол доллара за 1 Ватт), получают сегодня с помощью кремниевых фотоэлектрических панелей (КПД не превышает 18%).
Главная проблема солнечной энергетики — это уменьшение стоимости способов генерации энергии при помощи солнечных фотоэлектрических панелей, полученной в дневные часы и аккумуляция этой энергии для пикового потребления вечером. В настоящее время аккумуляторные системы в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная энергетика рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. В вечернее время пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в пиковые часы энергопотребления и уменьшить число электростанций на не возобновляемых источниках энергии.
Если в результате изменения тарифов на электроэнергию пик потребления электроэнергии сместится на дневное время суток, то у солнечной энергетики появятся более серьезные перспективы для развития.
В настоящее время использование солнечной энергии и дорогостоящих аккумуляторов является экономически оправданным только для регионов и объектов, в которых нет других возможностей для подключения к электросети. Например, на отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующие оптимистичные факторы при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Разумная государственная политика стимулирует экономически использование солнечных электростанций.
2. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет при уменьшении его запасов.
3. КПД солнечных панелей повышается, разрабатываются новые материалы и технологии в сфере генерации и аккумуляции электроэнергии.
4. В связи с экологической приемлемостью и отсутствием выходов парниковых газов улучшится экологическая обстановка в областях замены генераторов, использующих традиционные виды топлива, на фотоэлектрические панели.
Плюсы и минусы солнечной энергетики
Из плюсов можно выделить:
1. источник энергии — практически неисчерпаемый даровой ресурс
2. относительная географическая доступность, т.е. возможность размещать фотоэлек-
трические панели в большинстве заселённых мест земного шара, за исключением зон с малой средней плотностью светового потока в день, или же в год
3. экологическая чистота
4. бесшумность
5. низкие эксплуатационные расходы
Недостатками же являются:
1. высокая стоимость
2. зависимость от времени суток и времени года
3. токсичность некоторых элементов в отработанных солнечных панелях, а также при производстве фотоэлементов
4. одним из наиболее сильных недостатков фотоэлектрических панелей является уменьшение производительности с нагревом солнечной панели, о котором и пойдёт речь в статье
Проблема перегрева солнечных панелей
Рассмотрим проблему уменьшения КПД солнечных панелей при их нагреве подробнее. Нагрев солнечной панели может значительно снизить её КПД. Уменьшение КПД панели рассчитывается по формуле:
Пр=По-(1-0,0045-(ТрГ25))
где:
Пр— КПД солнечной панели, %
П0 — КПД солнечной панели при температуре, равной 25 °С, % Тр|— температура поверхности солнечной панели, °С [1-4]
В России в районе 55° северной широты в летний период солнечные панели могут нагреваться до 70 °С.
Если взять для примера расчёта современную солнечную панель из арсенида галлия с КПД в 46%, то при 70 °С её эффективность упадёт на 20%, до показателя КПД в 36,685%.
Нагрев солнечных панелей в близких к экватору областях достигает 80-90 °С. При нагреве до 90 °С солнечная панель теряет целых 30% своей генерируемой мощности [4].
Способ охлаждения солнечной панели
Рассмотрим возможное решение проблемы перегрева солнечных панелей для областей, в которых зимой плотность потока солнечного излучения уменьшается (т.е. практически все зоны, кроме жарких пустынь, как Сахара).
Решением предлагается установка перед солнечной панелью фокусирующей линзы Френеля с установленной на неё электронной тонировкой. Электронная тонировка представляет собой искусственное уменьшение пропускной способности стекла с возможностью регулирования по ситуации. Аналогом является электронная тонировка стёкол автомобиля с регулированием пропускной способности в зависимости от поданного на него напряжения. За счёт большей площади линзы площади самой панели, на солнечную панель начинает падать более плотный поток сфокусированных солнечных лучей.
Для большей эффективности предлагается как солнечную панель, так и линзу Френеля разместить на специальное устройство, которое будет разворачивать их максимально
эффективно, относительно положения солнца. Такой механизм называется «солнечный трекер».
Суть способа заключается в том, что в зимние и вечерние периоды, когда выработка солнечных панелей не находится на своём пике, и температура панели находится в районе 30-40 °С, благодаря фокусирующей линзе Френеля, солнечная панель будет вырабатывать большее количество электроэнергии за счёт фокусировки солнечных лучей.
На солнечную панель устанавливается датчик температуры, который, при нагреве солнечной панели, будет адаптивно регулировать пропускную способность электронной тонировки линзы Френеля, увеличивая или уменьшая поток пропускаемого светового излучения в зависимости от температуры панели.
Таким образом, происходит уменьшение плотности солнечных лучей, падающих на солнечную панель, в самые жаркие периоды и её увеличение в менее жаркие. Данный контроль температуры солнечной панели не только увеличит выработку электрической энергии, но и увеличит срок службы солнечной панели из-за отсутствия сильного длительного перегрева фотоэлементов.
Данный способ в летние периоды увеличит КПД солнечных панелей на 20-30% за счёт охлаждения панелей, и на 75-100% увеличит выработку панели в зимние и вечерние периоды, за счёт фокусировки лучей с большей площади при помощи линзы Френеля.
Проведём расчёт эффективности такой системы.
Возьмём солнечную панель из арсенида галлия с КПД равным 46% площадью равной 1 м2.
Линзу Френеля возьмём площадью равной 4 м2.
Расположим линзу Френеля над солнечной панелью, как показано на рисунке 1, на котором 1 — линза Френеля, а 2 — сама солнечная панель.
У
2
Рис. 1. Схематичное расположение солнечной панели и линзы Френеля.
Линза Френеля, взятая для расчётов площадью в 4 раза большей площади самой солнечной панели, фокусирует на ней солнечный поток в 4 раза более мощный, чем было бы без неё. Таким образом, при среднем солнечном потоке, равном 500 Вт-ч, падающий поток на панель будет уже равен 2000 Вт-ч.
Потребление энергии для обеспечения работы 1 м2 электронной тонировки равно 7 Вт-ч. Нанесение на линзу Френеля электронной тонировки площадью в 4 м2 образует потребление равное 28 Вт-ч.
В таблице 1 приведена зависимость КПД солнечной панели из арсенида галлия при разных температурах её нагрева.
Температура нагрева солнечной панели, °С КПД солнечной панели,% Процентное падение общей выработки солнечной панели, % Падение выработки при солнечном потоке плотностью 2000 Втч, Втч
25 46 0 0
30 44,97 2 20,6
40 42,9 7 62
50 40,83 11 103,4
60 38,76 16 144,8
70 36,69 20 186,2
80 34,62 25 227,6
90 32,56 29 268,8
Таблица 1. Зависимость КПД солнечной панели из арсенида галлия от её нагрева.
Исходя из данных таблицы 1, можно сделать вывод, что применение электронной тонировки линзы Френеля площадью 4 м2 для охлаждения солнечной панели из арсенида галлия, площадью 1 м2, с потребляемой мощностью 27 Вт становится уже эффективным при нагреве солнечной панели до, примерно, 33-34 °C.
Особенностью данного способа является то, что происходит уменьшение светового потока, падающего на фотоэлектрическую панель для всех её температурных состояний.
Эту особенность можно использовать следующими способами.
Первый способ—это периодическое уменьшение светового потока, падающего на солнечную панель, с целью охлаждения в особо жарких областях их установки, таких как пустыни, с двумя целями: увеличение срока службы панели из-за отсутствия перегрева, и увеличение выработки панели в периоды отключения охлаждения электронной тонировкой (например, при охлаждении панели до 40 °C имеет место быть остановка уменьшения пропускной способности электронной тонировкой до нагрева в 50-55 °C). В таких областях возможна замена линзы на обычное стекло. Увеличение выработки будет фиксироваться до того момента, когда панель не нагреется вновь, и не будет запущен процесс охлаждения панели данным способом.
Второй способ — это увеличение выработки панелей в областях земного шара с пониженной плотностью солнечного потока, или в средних широтах в зимние времена года, за счёт фокусировки на них лучей с большей площади, и как следствие, увеличение плотности солнечного потока. Из-за пониженных температур в таких областях, естественное охлаждение панели будет также способствовать увеличению КПД панели.
Выводы
1. Перегрев солнечных панелей негативно влияет как на срок их службы, так и на их КПД.
2. Эффективность солнечных панелей зависит от времени суток, времени года, а также географического положения солнечной панели.
3. Оптимизировать работу солнечной панели можно благодаря линзе Френеля с нанесённой на неё электронной тонировкой.
4. Благодаря способу охлаждения солнечной панели при помощи электронной тонировки линзы Френеля можно не только увеличить её срок действия и КПД в пиковые температуры, но и увеличить КПД в зимние и вечерние периоды, когда потребление электроэнергии населения возрастает.
Литература
1. Джумаев А.Я. Анализ влияния температуры на рабочий режим фотоэлектрической солнечной станции//Технические науки — от теории к практике: сб. ст. по матер. XIV! междунар. науч.-практ. конф. № 5 (42).— Новосибирск: СибАК, 2015.
2. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012.— 496 с.
3. Садуба Т.Р, Горячев С.В. Исследование влияния температуры на производительность фотоэлектрической панели//Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета, 2019.— 49-52 с.
4. Андреев В.— Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии//Соросовский образовательный журнал.— 1996, № 7.
