CC BY
124
УДК 620.92
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФОТОМОДУЛЕЙ ПРИУСАДЕБНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
© 2015 г. В.Я. Жарков
Цель работы: разработать и запатентовать солнечные фотомодули цилиндрической формы повышенной эффективности.
Приведены достижения мировой гелиоэнергетики. К концу 2012 г. суммарная мощность СЭС во всем мире выросла до 100 ГВт. Только в Европе установлено более 70 ГВт. из которых на Украину пришлось 373 МВт. Для стимулирования ВИЭ в большинстве стран мира (более 50). в т.ч. в Украине. Белоруссии и Казахстане, введен «зеленый тариф». В РФ такой регулятор пока отсутствует.
Приведена зависимость срока окупаемости от мощности для СЭС разного типа и назначения. Высокая цена солнечных фотоэлектрических модулей (СФЭС) и снижение их КПД при росте температу ры является одной из причин сдерживания роста приусадебных СЭС. При нагреве ФЭП на один градус свыше 25 °С он теряет в напряжении 0,4%/град.
Задача повышения КПД ФЭП решается за счет того, что солнечный когенерационный модуль с термосифоном в виде отдельного металлического корпуса, наполненного под вакуумом рабочим телом с фазовым переходом (этанол или его водный раствор), согласно полезной модели, дополнительно содержит две стеклянные колбы, друг в друге, соединенные между собой, с вакуумной полостью между ними. Внешняя поверхность колбы меньшего диаметра покрыта тонкой пленкой ФЭП, с гермоконтактами, выведенными наружу. Получено положительное решение на полезную модель.
В основу второго изобретения поставлена задача усовершенствования СФЭМ цилиндрической формы Solyndra путем образования из двух стеклянных трубок вакуумной колбы типа сосуда Дьюара. с выведенными электрическими гермоконтактами от пленки полупроводникового ФЭП, охлаждение ФЭП за счет наполнения внутренней трубки охлаждающей жидкостью. За счет этого снижается рабочая температу ра ФЭП и увеличивается КПД и эффективность СФЭМ.
Таким образом, солнечный когенерационный модуль, согласно первой полезной модели, обладает повышенной эффективностью за счет уменьшения потерь тепла, комбинированной генерации тепловой и электрической энергии.
Надежное охлаждение ФЭП, согласно второму изобретению (патент 97080 UA). значительно увеличивает их общий КПД и дополнительно даст подогретую воду, которую можно использовать для хозяйственных нужд, в частности для орошения растений.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, фотоэлектрический модуль, солнечные электростанции, когенерация.
Objcclivc: to develop and palcnt cylindrical form solar PV modules of increased efficiency.
Given advances in Ihc solar energy. By the end of 2012 the lotal capacity of SES worldwide rose to 100 GW. In Europe alone lias more than 70 GW, of which Ukraine had 373 MW. To stimulate renewable energy in most countries of Ihc world (more than 50), and in Ukraine. Belarus and Kazakhstan, introduced a "green tariff". In Russia, such a governor is not yet available.
Show s Ihc payback period for the power of SES of different types and purposes. The high price of solar photovoltaic modules (SFES) and reduce their efficiency with an increase in temperature is one of the reasons for restraining the growth of household SES. When heated FEP one degree above 25 °C it loses voltage 0.4% / deg.
The task of increasing the efficiency of photovoltaic cells is achieved due to the fact that the solar thermosy-phon cogeneration unit as a separate metal housing filled with w orking fluid under a vacuum with a phase shift (or aqueous ethanol solution), according to the utility model, further comprises two glass flasks each other interconnected with a vacuum cavity therebetween. The outer surface of the smaller diameter of the bulb is coated with a thin film photovoltaic cells with contacts leads out. A positive solution for a utility model.
The basis of the second invention is to improve the SFEM Solyndra cylindrical shape by the formation of two glass tubes vacuum flasks Dewar type, derived from the electrical contacts on the film semiconductor solar
cells. solar cclls due lo the cooling of the inner tube filled with coolant. This reduces the operating temperature of solar cells and increases the efficiency and effectiveness of SFEM.
Thus, solar cogeneration unit, according to the first utility' model has increased efficiency by reducing heat loss, the combined generation of heat and electricity.
FEP reliable cooling according to a second invention (No. 97080 UA). significantly increased the overall efficiency and additionally provides heated water, which can be used for household purposes, in particular for irrigation of plants.
Key words: renewable energy, photovoltaic module, solar power plant, cogeneration.
Актуальность проблемы. По данным Европейской фотоэлектрической ассоциации (EPIA) суммарная мощность установленных по всему миру солнечных электростанций выросла за 12 лет XXI века в 1,5 раза - до 100 ГВт. К концу 2012 года в одной только Европе было установлено более 70 ГВт солнечных батарей, из которых на Украину пришлось 373 МВт. Общий фонд солнечных модулей на конец 2015 года составит 195,9 ГВт, то есть за 5 лет увеличится почти в 5 раз. К 2017 году ежегодный объем продаж фото вол ьтаиче-ской продукции может составить от 40 до 80 ГВт [1]. В целом же предполагается, что к 2020 г. в мире будет установлено 350-600 ГВт «солнечных» мощностей, а к 2030 г. -1080-1800 ГВт, которые будут вырабатывать 200-1400 кВт ч электроэнергии [2].
С 1990 года Германия — отнюдь не солнечная страна, заняла место лидера в Европе в области использования фотоэлектрических систем для частного сектора. Для стимулирования солнечной энергетики в Германии в течение 20 лет предоставляются гарантированные (10-кратные) тарифы. Кроме того, при установке приусадебных СЭС владельцам частных домов предоставляются низкопроцентные кредиты сроком на 10 лет с освобождением от обслуживания в течение первых двух лет для частичной компенсации затрат на установку энергосистемы.
Для стимулирования ВИЭ в большинстве стран мира (более 50), в т.ч. в Украине, Белоруссии и Казахстане, введен «зеленый тариф». В РФ такой регулятор пока отсутствует. Это означает, что создание по-настоящему эффективного механизма развития солнечной энергетики даже не планируется [2].
Оптимистический вариант Украины — это 30% возобновляемой энергии на уровне 2030 года. По состоянию на начало июня 2013 г., 96 компаний в Украине экс-
плуатировали 149 электростанций на возобновляемых источниках энергии, в т.ч. 50 фотоэлектрических установок, суммарной мощностью более 600 МВт. К концу 2012 года украинская гелиоэнергетика превратилась в один из самых быстрорастущих рынков гелиоэнергетики в Европе. В июне 2012 года ООО «Токмак Солар Энерджи» запустило третью очередь СЭС в Запорожской области, после чего общая её мощность достигла 10 МВт.
В 2013 г. бурный рост солнечной энергетики прекратился, поскольку изменения в украинском законодательстве предусматривают, что полный «зеленый тариф» получат только те, кто в значительной степени использует отечественные материалы и оборудование. Гелиоэнергетика постепенно перестает быть такой выгодной. СЭС будут продавать энергию в сеть не по 0,46 евро за кВтч, а по 0,35-0,37. Для СЭС, построенных после 1 января 2015 г., цена будет еще ниже и продолжит падать.
До настоящего времени в Украине стремительно развивались только крупные солнечные парки, а в частных домах и на малых предприятиях солнечные батареи -редкость. Одно из препятствий - украинская бюрократия, отмечают эксперты. Пока что механизм государственного стимулирования солнечных батарей в частных домах не работает. Закон позволяет подключать к сети частных производителей солнечной энергии мощностью до 10 кВт, но как присоединять эти маленькие электростанции к сети - непонятно даже чиновникам. Поэтому сегодня в Украине, где больше солнечных часов в год, чем в половине стран ЕС - частные солнечные батареи на крышах остаются скорее исключением, и их владельцы вынуждены фактически иметь в доме две отдельные электросети: централизованную, и свою - солнечную [2].
Анализ последних исследований и публикаций. В 2012 году в Украине, как и во многих странах мира, был достигнут паритет цен между стоимостью киловатт-часа электроэнергии, выработанной при помощи ФЭС и полученной из сети. При анализе окупаемости среди прочего необходимо учитывать тип и целевое назначение СЭС, а также стоимость альтернатив-
ных решений, с которыми она будет сравниваться [1].
На рисунке I этот вопрос рассмотрен на примере сетевых солнечных электростанций (работающих по «зеленому тарифу» или генерирующих электроэнергию для собственных нужд), а также несетевых фотоэлектрических систем, предназначенных для резервного или полностью автономного электропитания.
Рисунок 1 - Эволюция эффективности ФЕИ (%)
Расчеты для СЭС мощностью 50, 250 и 1000 кВт при текущем уровне цен на оборудование и строительно-монтажные работы показывают, что окупаемость подобных проектов изменяется от 8,5 лет для наземных СЭС, построенных на севере Украины, до 5 лет для СЭС, расположенных на крышах зданий в южных областях (рисунок 2).
На рисунке 2 использованы следующие обозначения [ 1 ]: FTT-Ground (N) -СЭС наземного типа, работающие по "зеленому тарифу" и установленные в северных областях Украины; FIT-Ground (S) -электростанции наземного типа, работающие по "зеленому тариф" и построенные в южных областях Украины; FIT-Roof (N) -СЭС, работающие по "зеленому тарифу" и установленные на крышах зданий в северных областях Украины; FIT-Roof (S) - эле-
ктростанции, работающие по "зеленому тарифу" и установленные на крышах зданий в южных областях Украины; Roof (N) - крышные СЭС, построенные в северных областях Украины с целью генерации электроэнергии для собственного потребления; Roof (S) - крышные СЭС, построенные в южных областях Украины для собственного потребления электроэнергии. По вертикальной оси указан срок окупаемости в годах, а по горизонтальной оси - установленная мощность солнечной электростанции.
Сетевые СЭС, производящие электроэнергию для собственных нужд, обычно устанавливаются на крышах зданий (производственные цеха, торгово-развлекатель-ные и офисные центры и т.д.). Отказ от «зеленого тарифа» позволяет существенно снизить капитальные затраты за счет испо-
льзования более дешевых импортных солнечных модулей. При оценке окупаемости проектов такого типа необходимо учитывать стоимость традиционной электроэнергии, которая будет замещаться за счет использования «солнечной».
Что касается несетевых СЭС, то их применение обычно оправдано в тех случаях, когда нет возможности подключиться к сети, наблюдаются регулярные перебои с электроснабжением или же выделенной мощности не хватает для работы в дневное время. При этом использование резервных или полностью автономных СЭС становится актуальным, а иногда — даже единственным способом обеспечить гарантированное электропитание объекта. Расчет окупаемости в таких случаях должен проводится не в сравнении со стоимостью кВт.ч традиционной электроэнергии, а с учетом капитальных затрат на модернизацию линий эле-
ктропередач и увеличение мощности трансформаторных подстанций или же в сравнении со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой с применением других типов генераторов (например, дизельных генераторов). Соответственно, срок окупаемости несетевых СЭС сильно зависит от особенностей конкретного проекта и может изменяться в очень широких пределах [ I].
Из приведенных выше данных видно, что в Украине существует достаточно много возможностей и предпосылок для строительства СЭС различного типа с окупаемостью инвестиций менее 10 лет. С учетом этого факта и других известных преимуществ СЭС можно утверждать, что привлекательность солнечной энергетики в Украине с каждым днем будет возрастать.
К концу XX в. для кремниевых ФЭП было достигнуто наивысшее значение КПД 24% при воздушной массе АМ 1,5.
14
Рисунок 2 - Зависимость срока окупаемости от установленной мощности (кВт)
для СЭС разного типа
Высокая цена солнечных фотоэлектрических модулей (СФЭС) и снижение их КПД при росте температуры является одной из причин сдерживания роста приусадебных СЭС. Важным моментом работы ФЭП является их температурный режим.
При нагреве элемента на один градус свыше 25 °С он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4%/град. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70 °С при потерях каждым 0,07-0,09 В [3]. Это и является основной причиной уменьшения КПД
солнечных элементов, приводящее к снижению напряжения, генерируемого элементом.
Компания 8о1упс1га разработала цилиндрические солнечные элементы [4]. Солнечные модули 5о1упёга (от английских слов «солнечный» и «цилиндр») основаны на тонкопленочных солнечных элементах, изготовленных из нового полупроводника, состоящего из соединения меди, индия галлия и селена (СЮ8). Пленочные элементы сворачиваются в цилиндры, устанавливаются в панели 1x2 м, по 40 цилиндров на каждую панель. Новая конструкция солнечных батарей позволяет поглощать больше солнечного света, т.к. элементы цилиндрической формы способны улавливать свет, падающий на них под любым углом, и преобразовывать в электроэнергию прямые, рассеянные, и даже отраженные от крыши здания лучи. Трубчатая конструкция оказывает меньшее сопротивление ветру, чем традиционные плоские панели [4] (рисунок 3).
Цель работы. Разработать и запатентовать солнечные фотомодули повышенной эффективности.
Основные материала исследования. Ниже приведен аналитический обзор существующих фотомодулей и СЭС, направленных на повышение эффективности их работы, и два варианта усовершенствованных и запатентованных нами фотомодулей для приусадебной СЭС. Полезные модели относятся к альтернативной энергетике с использованием солнечной энергии.
Солнечный когенерационный модуль с термосифоном
Известный солнечный фотоэлектрический модуль [Патент USA № 3383246, кл. 136-89. - Опубл. 1969] состоит из линзового концентратора солнечной энергии и фотоэлектропреобразователей (ФЭП), установленных на плоскости поворотного стола, которые для защиты от перегрева вращаются вместе с поворотным столом. Недостатком СФЭМ является сложность конструкции и защиты от перегрева.
Рассеянный свет
Прямой
солнечный свет
Отражённый свет
Рисунок 3 - Солнечный фотоэлектрический модуль цилиндрической формы Solyndra
Известен также СФЭМ цилиндрической формы 8о1упс1га [4]. В отличие от стандартных солнечных батарей, которые сделаны из широких плоских элементов, новые преобразователи выполнены в виде цилиндров. Такая форма позволяет увеличить количество поглощаемого света (а
значит и электроэнергии) в течение дня без изменения положения конструкции СФЭМ [4]. Недостатком СФЭМ цилиндрической формы 8о1упс1га является снижение КПД ФЭП при росте его рабочей температуры. Это и является основной причиной снижения КПД, приводит к падению напряже-
ния, генерируемого каждым ФЭП [3 ]. К тому же СФЭМ предназначен для генерации только электричества и не может генерировать тепловую энергию.
Известный солнечный фотоэлектрический модуль содержит концентрирующую систему и ФЭП, расположенный в нижней части камеры охлаждения, работающий по принципу термосифона с теплоносителем с низкой температурой кипения, например, фреоном [Патент Ш_1 № 775540, МПК ¥24В/02. - Опубл. 30.10.1980]. Недостатком известного СФЭМ является сложность концентратора, что затрудняет его использование для ко-генерации.
Известен также двухфазный термосифон [Патент № 95647 иА, МПК Р28Э15/02, В6081/00. - Опубл. 25.12.2014, Бюл. № 24], содержащий герметичный вертикальный корпус с зонами испарения и конденсации, наполненный рабочим телом, способным к фазовому переходу от жидкости к газу и наоборот, и теплообменник с жидким теплоносителем в верхней части корпуса [5]. В качестве рабочего тела использовано вещество, кипящее под вакуумом при небольшой плюсовой температуре, например, водный раствор этанола (С2Н5ОН), а в качестве жидкого теплоносителя - антифриз. Известное устройство [5] предназначено для подогрева моющих средств автомойки за счет отбора тепла от сточных вод городской канализации и не может быть использовано для охлаждения ФЭП приусадебной СЭС и когенерации.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства, избранным в качестве прототипа, является тепловая труба [Патент 1Ш № 90888, МПК 15/02, Р28Э15/00. - Опубл. 20.01.2010], выполненная в виде отдельного металлического корпуса из нержавеющей стали с отшлифованной внутренней поверхностью, запаянного с обеих сторон, наполненного под вакуумом теплоносителем с фазовым переходом и низкой температурой замерзания. Недостатком является низкая эффективность из-за отсутствия электрогенерации и потерь теплоты, обусловленных отсутствием конденсатора и теплосборника.
В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности когенера-ционного модуля за счет увеличения общего КПД путем усовершенствования конструкции термосифона и дополнительной установки ФЭП. Совершенствование полезной модели приводит к уменьшению потерь тепла, к комбинированной генерации тепловой и электрической энергии, в результате чего повышается ее эффективность.
Поставленная задача решается за счет того, что солнечный когенерационный модуль с термосифоном в виде отдельного металлического корпуса, запаянного с обеих сторон, наполненного под вакуумом рабочим телом с фазовым переходом и низкой температурой замерзания, с зоной испарения и зоной конденсации, согласно полезной модели, дополнительно содержит две стеклянные колбы, друг в друге, соединенные между собой, с вакуумной полостью между ними. Герметичный корпус термосифоном выполнен из чистой красной меди, расположен в полости колбы меньшего диаметра, с конденсатором в зоне конденсации, контактирующим с теп-лосборником, наполненным жидким теплоносителем. Внешняя поверхность колбы меньшего диаметра покрыта тонкой пленкой ФЭП, соединенных последовательно, с гер мо контактам и выведенными наружу. В качестве рабочего тела с фазовым переходом, от жидкости к газу и наоборот, могут быть использованы этанол или его водный раствор, и/или ацетон, и/или эфир или их смесь.
Вакуумная полость между стеклянными колбами уменьшает конвекционные потери тепла. Изготовление корпуса из чистой красной меди увеличивает его теплопроводность и исключает появление примесей в рабочем теле, ухудшающих теплопередачу. Наличие конденсатора обеспечивает отдачу тепла теплосборнику с жидким теплоносителем. Тонкая пленка ФЭП, соединенных последовательно, генерирует электроэнергию. Использование аморфного кремния обеспечивает экономичность и технологичность изготовления термосифона - напыление его непосредственно на стеклянную трубку. Наполнение корпуса
легко кипящими экологобезопасными веществами обеспечивает транспортировку пара от зоны испарения к конденсатору, отдачу тепла при конденсации, возврат конденсата за счет сил гравитации и повторение цикла. Теплосборник с жидким теплоносителем обеспечивает охлаждение конденсатора и отбор теплоты за счет скрытой теплоты конденсации.
Солнечный когенерационный модуль с термосифоном (рисунок 4) содержит две стеклянные колбы 1, 2 из боросиликатного стекла. Колба 1 меньшего диаметра находится в прозрачной колбе 2 большего диаметра (одна в другой), они соединены между собой подобно сосуду Дьюара (подобно термосу), с вакуумной полостью 3 между ними. В середине колбы 1 меньшего диаметра расположен термосифон с герметичным корпусом 4, изготовленным из чистой красной меди. Колбы 1, 2 с медным герметичным корпусом 4 установлены под углом 30-60 градусов к горизонту.
Герметичный корпус 4 наполнен рабочим телом 5 с фазовым переходом, от жидкости к газу и наоборот, и низкой температурой замерзания, с зоной испарения и зоной конденсации. На верхнем конце медного герметичного корпуса 4, в зоне конденсации, установлен конденсатор 6,
контактирующий с теплосборником 7, наполненным жидким незамерзающим теплоносителем, например, антифризом. ФЭП 8 изготовлены из аморфного кремния, которые можно наносить непосредственно на стекло. В качестве рабочего тела могут быть использованы: этанол или его водный раствор, и/или ацетон, и/или эфир или их смесь.
Параметры этанола (С2Н5ОН): критическая температура Ткр = 516,1 К (243,1 °С), критическое давление Р1ф = 63,9 Па, температура кипения при атмосферном давлении (Р=0,1 МПа) Тким - 351,3 К (78,3 °С), а удельная теплота испарения г = 840 кДж/кг, теплоемкость газообразного этанола в диапазоне температур от 0 до 100 °С составляет Ср= 1,34-1,69 кДж/кг- град. При давлении паров этанола (С2Н5ОН) Р=20 кПа этанол конденсирует при Тким = 224,6 К (41,7°С). При Р=10 кПа -Ткип=301,9 К (28,9°С) [5]. При снижении давления соответственно снижается и температура кипения. Выбор легкокипящих веществ или их смеси в качестве рабочего тела 3 и степени вакуума для наполнения герметичного корпуса 4 позволяет выбрать оптимальную величину температуры кипения для охлаждения пленки ФЭП 8.
лоноситель
Рисунок 4 - Солнечный когенерационный модуль с термосифоном
Солнечный когенерационный модуль разом. Между двумя стеклянными колбами с термосифоном работает следующим об- 1,2 выкачивается воздух, чтобы создать ва-
куум, который препятствует обратной теплопроводности и конвекционным потерям тепла. Солнечный свет свободно проходит через прозрачную колбу 2 из боросиликат-ного стекла и попадает в тонкую пленку ФЭП 8, нанесенных на наружную поверхность стеклянной колбы I меньшего диаметра, которые генерируют электроэнергию . Боросиликатное стекло пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4-2,7 мкм. В качестве рабочего тела 3 герметичный корпус 4 наполнен легкоки-пящей жидкостью (Тким - около 30 °С) под вакуумом. За счет конвекционной теплопередачи теплота С>1 нагревает рабочее тело
3 в медном герметичном корпусе 4. В результате нагрева образуется пар. Пар поднимается вверх к конденсатору 6, который омывается жидким теплоносителем, например, антифризом, с отдачей теплоты (¿2. Отдача тепла заставляет пар конденсироваться и течь обратно в зону испарения, в нижней части герметичного корпуса 4, охлаждая пленку ФЭП 8, и цикл повторяется снова (см. рисунок 4).
Теплота конденсации отбирается теплоносителем, протекающим по коллектору 7 и омывающим конденсаторы 6. Высокий коэффициент передачи тепла рабочим телом 3, незначительное его количество и относительно небольшие размеры герметичного корпуса 4 из чистой красной меди дают эффективную термическую теплопроводность. Герметичный медный корпус
4 работает как термический диод. Теплопроводность очень высокая в одном направлении (вверх) и низкая в обратном (вниз). Наполнение герметичного корпуса 4 рабочим телом 3 под вакуумом позволяет снизить температуру кипения для выбранного вещества, что обеспечивает охлаждение пленки ФЭП 8.
Новизна устройства подтверждена положительным решением Укрпатента на полезную модель.
Солнечный фотоэлектрический модуль иилиидрич ее кои формы
Известна солнечная электростанция [Патент 1Ш № 94380, МПК НО Ю 1/042, Б2412/54. - Опубл. 20.05.2010, Бюл. № 14], содержащая вертикальный вал с приводом и солнечной батареей на валу, установлен-
ные на поворотной площадке, шарнирно закрепленной на одном конце и с подъемным механизмом - на втором. Недостатком установки является ее громоздкость. Кроме того, использование полностью механической системы слежения за Солнцем не обеспечивает высокой точности ориентации СЭС с учетом как географической широты местности, так и сезонных изменений высоты Солнца над горизонтом.
Известна установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце [Заявка БЕ № 10343374, МПК ?2412/38. -Опубл. 23.12.2004], содержащая кольцевую платформу, на которой расположены прямоугольная консоль для установки фотоэлектрической батареи и система слежения за Солнцем с подсистемами зенитального и азимутального вращения. Недостатком известной установки является низкая надежность работы из-за возможного загрязнения и обледенения мест соединения подвижных частей системы, что затрудняет или вообще препятствует вращению системы слежения за Солнцем с установленной на ней фотоэлектрической батареей.
Известна также одноприводная механическая система с математической функцией ориентации панелей солнечных батарей [Патент ЫА № 76829, МПК Р24Л2/00, Б2412/52, Б2412/54. - Опубл. 10.11.2013, Бюл. № 1], содержащая опорную неподвижную часть, раму для крепления солнечных панелей, вращающееся устройство с приводом и вращающимся валом, выполненная с возможностью изменения положения несущей рамы солнечных панелей. Вращающееся устройство содержит вращающийся корпус, установленный и соединенный через механизм передачи с приводом с возможностью вращения на любой угол вокруг центральной вертикальной оси опорной части. На корпусе закреплена платформа с несущими стойками, которые другим концом соединены подвижно с рамой для крепления солнечных панелей, шарнирно соединенная с рамным толкателем. Недостатком известной системы есть повышенные потребляемая мощность и отчуждение земли, что делает неприемлемой её для приусадебной СЭС, кроме того, она подвержена дополнитель-
ному перегреву прямыми солнечными лучами.
Известна система аварийного освещения автомобильного туннеля [Патент иА № 74563, МГТК В60()1/02, Н02К6/00. -Опубл. 12.11.2012, Бюл. № 21], содержащая фотоэлектрические модули, собранные из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), установленных на боковых стенах туннеля, под тупым углом к направлению движения автомобилей. ФЭП установлены на теплопроводной основе боковых стен туннеля, что увеличивает их охлаждение и повышает КПД. Полезная модель не может быть использована для охлаждения ФЭП приусадебной СЭС из-за отсутствия холодных стен туннеля.
В основе изобретения [6] - задача усовершенствования СФЭМ цилиндрической формы 8о1упс1га [4] путем образования из двух стеклянных трубок вакуумной колбы типа сосуда Дьюара с выведенными электрическими герметическими контактами от пленки полупроводникового ФЭП, охлаждение ФЭП за счет наполнения внутренней трубки охлаждающей жидкостью. За счет этого снижается рабочая температура ФЭП и увеличивается КПД и эффективность СФЭМ.
СФЭМ цилиндрической формы [6], содержит две коаксиально, с зазором, расположенные стеклянные трубки. Внутренняя трубка покрыта тонкой пленкой полупроводникового ФЭП, помещена в прозрачную стеклянную трубку большего диаметра с электрическими контактами, выведенными от пленки полупроводникового ФЭП.
Согласно полезной модели [5], трубки изготовлены из боросиликатного стекла
и соединены между собой с образованием колбы типа сосуда Дьюара, из которой, для создания вакуума, откачан воздух. Пространство внутренней стеклянной трубки наполнено охлаждающей жидкостью, с накопительным баком в верхней части, вывод электрических контактов выполнен герметичным. СФЭМ устанавливается на крыше здания под углом к горизонту, равным географической широте местности.
Соединение между собой двух стеклянных трубок с образованием вакуумной колбы, типа сосуда Дьюара, обеспечивает теплоизоляцию пленки ФЭП от конвекционного нагрева за счет окружающей среды. Изготовление трубок из прочного боросиликатного стекла обеспечивает их механическую прочность и пропуск волн солнечной радиации в диапазоне 0,4...2,7 мкм. Наличие электрических гермоконтактов обеспечивает герметичность вакуумной колбы при их выведении наружу. Заполнение пространства внутренней стеклянной трубки охлаждающей жидкостью обеспечивает охлаждение ФЭП, а следовательно, и увеличение его КПД. Установка СФЭМ на крыше здания под углом к горизонту, равным географической широте местности, обеспечивает максимальное освещение фотоэлектрического модуля прямыми солнечными лучами в течение года. Использование воды в качестве охлаждающей жидкости позволяет охлаждающий контур выполнить открытым, а подогретую воду использовать для хозяйственных нужд, например, для орошения растений, для душа, мытья посуды и т.д., а во внутреннюю трубку СФЭМ будет поступать свежая вода из водопровода.
Рисунок 5 — Солнечный фотоэлектрический модуль цилиндрической формы
СФЭМ цилиндрической формы (рисунок 5) содержит две стеклянные трубки 1, 2, соединенные между собой по типу сосуда Дьюара. Внутренняя трубка 1 покрыта тонкой пленкой 3 полупроводникового ФЭП и коаксиально, с зазором, помещена во внешнюю прозрачную стеклянную трубку 2 большего диаметра с электрическими герметическими контактами (не показанными), похожими на те, что используются в люминесцентных лампах. Вакуумная полость 4 между стеклянными трубками 1, 2 обеспечивает теплоизоляцию пленки 3 полупроводникового ФЭП от конвекционного нагрева за счет окружающей среды. Пространство внутренней стеклянной трубки 1 наполнено охлаждающей жидкостью 5, с накопительным баком 6 в верхней части. Трубки 1, 2 изготовлены из боросиликатного стекла, что обеспечивает их механическую прочность. Фотоэлектрический модуль установлен на крыше здания под углом к горизонту, равным географической широте местности.
СФЭМ работает следующим образом (см. рисунок 5). Солнечный свет свободно проходит через внешнюю прозрачную трубку 2, изготовленную из прочного боросиликатного стекла, которое обеспечивает пропуск волн солнечной радиации в диапазоне 0,4...2,7 мкм, и попадает на тонкую пленку 3 ФЭП, расположенную на внутренней стеклянной трубке 1 меньшего диаметра, которые генерируют электрическую энергию. ФЭП изготовлены из аморфного кремния, которые можно наносить тонкой пленкой непосредственно на стекло. Такая конструкция СФЭМ обеспечивает увеличение количества поглощенного света (а значит и количества генерируемой электроэнергии) в течение дня, без изменения его положения. Дело в том, что наибольшее поглощение имеет место, если свет падает на ФЭП под прямым углом. Поэтому для плоских ФЭП необходимы специальные системы слежения за Солнцем (а это дополнительное пространство, сложность механизмов и, как следствие, средства). На поверхность пленки ФЭП цилиндрической формы свет попадает под прямым углом в виде трех составляющих
(см. рисунок 1): прямого света, рассеянного света и отраженного света от поверхности, на которой расположен СФЭМ. Солнечный свет, попадающий на тонкую пленку 3, вызывает нагрев ФЭП (+(}1, + С>2 на рисунке 5), а охлаждающая жидкость 5 отбирает тепло (- ()3 на рисунке 5) и снижает рабочую температуру, чем обеспечивает увеличение КПД ФЭП, и по принципу термосифона поступает в накопительный бак 6, где охлаждается в ночное время. Если в качестве охлаждающей жидкости 5 используется вода, то после подогрева она может использоваться для хозяйственных нужд, например, для орошения растений, для душа, мытья посуды и т.д., а во внутреннюю трубку СФЭМ будет поступать свежая вода из водопровода.
Технический результат полезной модели [6] заключается в совершенствовании его конструкции путем образования вакуумной колбы типа сосуда Дьюара и охлаждения ФЭП охлаждающей жидкостью во внутренней трубке 1, за счет чего повышается КПД ФЭП, что важно при использовании их в составе приусадебных СЭС. Расстояние между цилиндрами также увеличивает общий КПД ФЭП, так как свет, проходящий сквозь щели, отражается от крыши здания (а ее способность к отражению можно искусственно увеличить с помощью специального белого покрытия) и попадает на ту часть ФЭП, что находится в течение дня в тени. На устойчивость СФЭМ цилиндрической формы практически не влияют ветер (по техническим данным, до скорости 200 км/ч) и град диаметром до 25 мм. Устанавливать их на крышах проще и дешевле, чем ФЭП с системами слежения за Солнцем. Зимой охлаждать СФЭМ не требуется, и перед сезонным похолоданием воду надо сливать.
Выводы
1. Усовершенствование конструкции солнечного когенерационного модуля увеличивает его эффективность за счет увеличения общего КПД, уменьшения потерь тепла и комбинированной генерации тепловой и электрической энергии. Однако основной его элемент - тепловая трубка изготавливается в Китае из чистой красной
меди. Это значительно удорожает когене-рационный модуль и делает неприемлемым его в настоящее время для приусадебных
сэс.
2. Надежное охлаждение ФЭП значительно увеличивает их общий КПД и дополнительно дает подогретую воду, которую можно использовать для хозяйственных нужд, в частности для орошения растений [6]. На сегодняшний день СФЭМ цилиндрической формы (патент 97080 UA) наиболее приемлем для использования на приусадебной СЭС.
Литература
1. EPIA Report "Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017" EN [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www. google.com.ua/search9client
2. Развитие гелиоэнергетики в мире и в Украине // Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования: сборник научных трудов / под ред. И.В. Юдаева и др. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2014. - С. 81-89.
3. Ефимов, В.П. Фотопреобразователи энергии солнечного излучения нового поколения/ В.П. Ефимов // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т. 8. -№2.-С. 100-115.
4. Солнечный фотоэлектрический модуль цилиндрической формы Solyndra [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [http ://www. membrana.ru/parti cl e/13126].
5. Патент 95647 UA, МПК F28D15/02, B60S1/00. Двофазний термосифон для Harpißy миючих засоб1в автомийки «Цезар» / В.Я. Жарков, Г.М. Терлецький. - Заявл. 31.07.2014; Опубл. 25.12.2014, Бюл. № 24.
6. Патент 97080 UA, МПК (2015.01) НО 1L31/00. Сонячний фотоелектричний
модуль цшпндричноТ форми // В.Я. Жарков, В Т. Дюрд^ев, О.С. Сажна, О.В. ГПх-тарь. - Заявл. 09.10.2014; Опубл. 25.02.2015, Бюл. №4.
References
1. ЕР1А Report "Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017", available at: https://www.google.com.ua/search7client
2. (2014), "The solar energy usage development in the world and in Ukraine", Energy-saving technologies. The problems of their effective usage: a collection of research papers ["Razvitie geliojenergetiki v mire i v Ukraine", Jenergosberegajushhie tehnologii. Problemy ih jeffektivnogo ispol'zovanija: sbornik nauchnyh trudov], Volgograd State Agricultural University, Volgograd, pp. 81-89.
3. Efimov, V.P. (2010), "Photovoltaic solar radiation energy converters of a new generation" ["Fotopreobrazovateli jenergii solnechnogo izluchenija novogo pokolenija"], Semiconductor Physics and Technology, Ch. 8, No. 2, pp. 100-115.
4. Solyndra solar photovoltaic module of cylindrical shape ["Solnechnyj fotojele-ktricheskij modul' cilindricheskoj formy Solyndra"], available at: http://-www. membrana.ru/particle/13126].
5. Zharkov, V.Ja., Terlec'kij, G.M. (2014), "Two-phase thermosyphon for detergent heating on "Caesar" car wash" ["Dvofaz-nij termosifón dlja nagrivu mijuchih zasobiv avtomijki «Cezar»"], UA, 956476.
6. Zharkov, V. Ja., Diordiev, V.T., Sanina, O.S., Pihtar', O.V. (2015), "Solar photovoltaic modules of cylindrical form" ["Sonjachnij fotoelektrichnij modul' cilindrichnoi formi"], UA, 97080.
Сведения об авторе
Жарков Виктор Яковлевич - канд. техн. наук, доцент, Таврический государственный агротехнологический университет (г. Мелитополь, Украина). Тел.: 8(0619) 42-23-41. E-mail: [email protected].
Information about the author Zharkov Victor Yakovlevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Tavria State Agrotechnological University (Melitopol, Ukraine). Phone: 8(0619) 42-23-41. E-mail: [email protected].
