Разработка и испытание демонстрационной солнечной термоэлектрической гибридной установки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2017, том 60, №3-4_

ТЕХНИКА

УДК 539.21:537.31

Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов*, Н.Ахмед, Т.А.Касурия,

А.Саеед, В.А.Баджва

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ СОЛНЕЧНОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ГИБРИДНОЙ УСТАНОВКИ

кистан

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, ко. фактор, солнечная радиация, добротность,

Институт прикладных наук и технологий им. Гулам Исхак Хана, Пакистан, Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджики

В работе описана демонстрационная солнечная гибридная термоэлектрическая установка с параболическим концентратором, состоящая из 40 маломощных термоэлектрических генераторов промышленного изготовления (ТЕС1-12710) и встроенного водяного коллектора. Показано, что данная установка может быть использована в демонстрационных и учебных целях, а также в качестве прототипа для разработки и изготовления достаточно мощных установок, которые могли бы быть использованы в бытовом секторе.

генератор, коллектор, модуль, напряжение, ток, фил_________ь, эффективность.

с ™ б

Среди термоэлектрических генераторов (АЛ) особое место занимают солнечные термоэлектрические генераторы (СТЭГ), обладающие достаточно высокой эффективностью (3-5%) для практического использования [1-4]. Данные генераторы изготавливаются на основе сплавов В>Те [1,5], В> Sb и [2]. Хотя эффективность солнечных элементов сравнительно выше, чем эффективность

термоэлектрических генераторов, однако простота технологии их изготовления и дешевизна делают их привлекательными для пользователей.

В данной работе представлены результаты по разработке и испытанию солнечной термоэлектрической гибридной установки (СТЭГУ), предназначенной для демонстрационных и учебных целей. На рис.1 приведен общий вид установки. Установка имеет металлический каркас, на котором прикреплен модуль, состоящий из 40 термоэлектрических генераторов промышленного изготовления (ТЕС1-12710), расположенных в четыре ряда, по 10 термоэлектрических генераторов в каждом ряду, параболический концентратор и резервуар для подогреваемой воды. Под термоэлектрическими генераторами установлены поглотители тепла и коллектор. Размер каждого ТЭГ-а равен 4х4х0.5 см. Размер термоэлектрического модуля 33х20х0.5 см, встроенного коллектора 33 см х 20 см х 2 см, резервуара для воды 35 см (в длину) и 14 см (в диаметре). Размер параболических отражателей 80 см х 43 см. Отражатели изготовлены из зеркально полированных металлических пластин толщиной 0.8 мм, окаймлённых металлической рамкой. Коэффициент концентрации параболического концентратора был равен 3.6. Выход водяного коллектора связан посредством трубопровода с верхней частью резервуара, нижняя часть резервуара соединена с входом коллектора в его нижней части.

Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунавварович. 734025, Республика Таджикистан, г.Душанбе, ул. Рудаки, 33 а, Центр инновационного развития науки и новых технологий АН РТ. E-mail: khakim48@mail.ru

ическая гибридная установка.

Л' /V .ч л^

едены зависимости напряжения холосто рименты проводились в августе 2016 г

На рис. 2 приведены

(б) от времени. Эксперимен'_____г____________ _

сивности солнечной радиации были равны 591 и 7

холостого хода (а) и тока короткого замыкания минимальная и максимальная интен-

43 Вт/м2.

По данным вольт-амперной характеристики установки (рис.За) был определён фил-фактор

(ББ) по формуле [6]

где V I V и I —

1г тр> тр> г ос ^с

= VI / VI ,

тр тр ос sc '

ше и ток при максимальной мощности, напряжение холостого

хода и ток короткого замыкания. Фил-фактор равен 0.22. Масимальная электрическая мощность Рэ

определяемая по выраже

Р = утт,

равна 31.24 мВт.

дня.

^ Напряжение, В

а)

<0 Ток мА

б)

Рис.2. Напряжение холостого хода (а) и ток На рис. 3б показана зависимость электр

ни в течение

Рис.3. Вольт-амперная характеристш

приведена зависимо

Напряжение, В стика (а) и зависимость м<

1434 16:48 Время, час

мощности от времени (б) в СТЭГУ.

На рис. 4 приведена зависимость температуры воды в резервуаре от времени. Вследствие термосифонного эффекта происходит циркуляция воды по контуру коллектор-резервуар-трубопровод-коллектор [7]. Полагая, для упрощения, что вода в резервуаре находится в статическом

Рт = 123.1 Вт), полученная водой, определялась по следующему вы-

ражен

тепловая мощ

где т, Ср, ДТ и Дt - ма

•у

Рт = тСр ДТ / ДГ

асса воды (5

5.89 л), удельная теплоёмкость воды (4.179 Дж / г °С ), разность

температуры (9°С) и время (30 мин.).

В результате было получено, что электрическая и тепловая эффективности установки равны 0.15 и 49.0% соответственно.

70 60 50 АО 30 20 10

Температура воды, °С

J

/

/

<V

9:36

12:00 14:24 16:41 Время, час

Рис.4. Зависимость температуры воды в резервуаре i

Полная стоимость установки (детали и изготовление) в единичном исполн

' времени в СТэ

м^

диничном исп

^У.

нении была равна

145 $ США. Стоимость суммарной энергии (электрической и тепловой) равна 0.12 $/Вт. При промышленном изготовлении стоимость установки уменьшится в зависимости от масштаба производства. В [8] стоимость энергии, производимой солнечными термоэлектрическими установками, была оценена в 0.17 $/Вт.

В процессе экспериментов в естественных условиях положение установки ориентировалось в направлении солнца каждый час. При фиксированном положении установки в направлении солнца (в полдень) полная энергия солнечной радиации, падающая в течение дня на поверхность термоэлектрического модуля, снижалась на 20-25% по отношению к случаю, когда установка реориентирова-лась по солнцу ежечасно.

Следует отметить, что сравнительно низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую термоэлектрическими генераторами, которые производятся промышленностью, связана с их низкими добротностью (Z ) и эффективностью (ZT ) [9]:

я

„ , ---------------------диент З,

Z = S2а / k , ZT = S2oT / k,

(1) (2)

еебека, электропроводность и коэффициент тепло-

где Т, S, а и к - температура, коэффицие] проводности. Как видно из выражений (1) и (2), повышение добротности и эффективности термоэлектрического элемента можно реализовать путём уменьшения теплопроводности материала. Вместе с тем коэффициент Зеебека и электропроводность материала должны быть высокими. В последние годы это было обнаружено в наноматериалах [10-12], вследствие большой длины свободного пробега электронов и сравнительно незначительной длины свободного пробега фононов. В то же время необходимо учитывать, что теплопроводность (к) имеет не только электронную (ке), но и

фононную (крк) составляющие [10]:

k = k + k

ph

Эффективность солнечных термоэлектрических установок в целом зависит от оптической и тепловой эффективности коллектора и величины ХТ термоэлектрических материалов [10]. В последние годы были разработаны термоэлектрические материалы с высоким значением ХТ, например, AgPbl8SbTe2o [11] и РЬТе^гТе, допированный № [12], где ХТ = 2.20 . Расчёты показывают, что эффективность термоэлектрических элементов при использовании таких материалов (ХТ > 2) может достигать (16-20)% [10], что сравнимо с эффективностью солнечных элементов [6].

Термоэлектрические элементы работают эффективнее совместно с водяным коллектором: вода охлаждает «холодные» контакты термоэлектрических элементов, повышая при этом разность тем-

2. Poudel B., Hao Q., Ma Y. et al. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony

, повышая при этом разность температур «горячих» и « холодных» контактов и одновременно нагревая воду, что продемонстрировано на примере установки, описанной в данной работе.

Таким образом, разработана, изготовлена и испытана солнечная гибридная термоэлектрическая установка с параболическим концентратором, состоящая из 40 термоэлектрических генераторов промышленного изготовления (ТЕС1-12710), которая может быть использована в демонстрационных и учебных целях, а также в качестве прототипа для разработки и изготовления достаточно мощных установок, которые могут быть использованы в бытовом секторе.

Поступило 25.01.2017 г.

А™ #

I. Kraemer D. et al. High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration. - Nat Mater., 2011, v.10, pp.532-538.

Г. et al. H " " telluride bulk alloys. - Science, 2008, №320, pp. 634-638

3. Каримов Х.С., Ахмедов Х.М., Мудасар Ф., Ахмед Н., Башир М.М. Изготовление и исследование свойств демонстрационного генератора на основе Bi2Te3 - Изв. АН РТ. Отд. физ.-мат., хим., геол. и техн. н., 2014, № 3, с. 47-53.

4. Vorobiev Y. Investigation of Solar Hybrid Electric-Thermal System with Radiation Concentrator and Thermoelectric Generator. - International Journal of Photoenergy, Article ID 704087, 2013, p. 7.

5. Pei Y. et al. Convergence of electronic bands for high performance bulk Thermoelectrics. - Nature, 2011, v.473, pp.66-69.

6. Markvart T. - Solar Electricity. - England, 1994.

7. Twidell J.W., Weir A.D. - Renewable Energy Resources, Cambridge, 1986.

8. Wang S. et al. The realization of a high thermoelectric figure of merit in Ge- substituted P-Zn4Sb3 through band structure modification. - J. Mater. Chem., 2012, №22, pp.13977-13985.

9. Bulusu A., Walker D.G. Review of electronic transport models for thermoelectric materials. -Superlattices and Microstructures, 2008, v.44, pp.1-36.

10. Sundarraj P. et al. Recent advances in thermoelectric materials and solar thermoelectric generators - a critical review. - RSC Adv., 2014, v.4, pp.46860-46874.

II. Hsu K.F. et al. Enhanced room temperature electronic and thermoelectric properties of the dilute bismuthide InGaBiAs - Science, 2004, v.303, pp.818-821.

12. Biswas K. et al. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures - Nature, 2012, v.489, pp.414-418.

^.С.Каримов, ^.М.Ахмедов*, Н.Ахмед, Т.А.Касурия, А.Саеед, В.А.Баджва КОРКАРД ВА ОЗМОИШИ ДАСТГОХИ НАМОИШИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИКИИ ГИБРИДИИ ОФТОБЙ

Институти илмхои амалй ва технологияи ба номи Гулом Исх,оц Хон, Покистон, *Маркази рушди инноватсионии илм ва технологияи нави Академияи илмхои Цумхурии Тоцикистон

Дар макола дастгохи намоишии термоэлектрикии гибридии офтобй бо концентрат

%

opu

параболи, ки аз 40 генераторхои термоэлектрикии тавоноии хурди саноати (ТЕС1-12710) бо коллектори обии дар дарун васл шуда тавсиф карда шудааст. Нишон дода шудааст, ки дастгохи мазкур барои максадхои намоишй ва таълимй ва хамчун тимсол барои коркард дастгоххои тавоноиаш калон, ки дар сектори маишй кор фармуда шуда метавонаь фода шуданаш

мумкин аст.

Калимахои калиди: генератори термоэлектрики, коллекто ">дул, ши т,цараён, фил-фактор, радиатсияи офтоб, хушсифати, самаранс

K.S.Karimov, Kh.M.Akhm DEVELOPMENT AND

leed, W.A.Bajwa TRIC SOLAR HYBRID

v , N.Ahmed, T.A.Qasi OF THE TERMOEL! INSTALLATION

/iv JSr

Ghulan Ishaq Khan Institute of Engineering Sciences and Technology, Pakistan, Center of Innovative development of science and new technologies, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan

The paper describes a demonstration hybrid thermoelectric solar plant with parabolic concentrator,

which consists of forty low-power thermoelectric generators of industrial production (TES1-12710) and built-in water collector. This plant can be used for demonstration and training purposes, as well as a proto-

acturing of sufficiently powerful installations which could be

type for the research & development and manufL used in a domestic environment.

A \ •

Key words: thermoelectric generator, collector, module, voltage, current, fill-factor, solar irradiance, quality, efficiency.

w, collector r, collector