CC BY
47
4. Жигуц, Ю. Ю. Технология производства термитного высокопрочного чугуна [Текст]/ Ю. Ю.Жигуц, В. Ф. Лазар, Л. І. Косюк // Міжн. збірн. наук. праць. «Прогресивні технології і системи машинобудування. «Донецький нац. техн. ун-тет». — 2012. — № 1,2 (43). — С. 142—147.
5. Чернега, Д. Ф. Использование термитных высоколегированных сталей для питания отливок [Текст]/ Д. Ф. Чернега, Й. Й. Лучко, Ю. Ю. Жигуц //“Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”. Збірник наук. праць. — 2012. — № 9. — С. 279—285.
6. Жигуц, Ю. Ю. Методика розрахунку складу екзотермічних шихт на основі термохімічного аналізу [Текст] / Ю. Жигуц, В. Широков // Машинознавство. — 2005. — № 4. — С. 48—50.
7. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітної хромонікелевої сталі Х18Н9Т [Текст] : Materialy IX miedzynarodowej naukowi-praktycznej коп£егепф „Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci”. V. 16. ТесЬп^пе паикі.— Ргеетуй: №ика і studia, 2013. — С. 3—5.
8. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітних кавітаційностійких сталей [Текст] / Ю. Ю. Жигуц // Восточно-европейский журнал передовых технологий. Прикладная физика и материаловедение. — 2013. — №1/5 (61). — С. 4—6.
9. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітної сталі 35Л [Текст]/ Ю. Ю. Жигуц //“Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”. Збірник наук. праць. — 2012. — № 9. — С. 215—221.
10. Жигуц, Ю. Ю. Технологія отримання термітних суднобудівних сталей [Текст] / Ю. Ю. Жигуц // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. Збірник наукових праць. — 2012. — № 3 (28). — С. 283—286.
-------------------□ □---------------------
В даній роботі досліджено залежності температури кристала кремнієвого фотоперетворювача з урахуванням концентрації світлового потоку і конструкції фоклінного концентратора в залежності від температури навколишнього середовища, кратності коефіцієнта концентрації та умов тепловідводу. Показана можливість збільшення щільності світлового потоку в 1,5-2,8 і необхідність додаткових конструктивних елементів для забезпечення нормального теплового режиму кристала
Ключові слова: концентратор, фотоперетворювач, сонячний елемент, коефіцієнт концентрації, щільність світлового потоку
□-----------------------------------□
В данной работе исследованы зависимости температуры кристалла кремниевого фотопреобразователя с учетом концентрации светового потока и конструкции фоклинного концентратора в зависимости от температуры окружающей среды, кратности коэффициента концентрации и условий теплоотвода. Показана возможность увеличения плотности светового потока в 1,5-2,8 и необходимость дополнительных конструктивных элементов для обеспечения нормального теплового режима кристалла
Ключевые слова: концентратор, фотопреобразователь, солнечный элемент, коэффициент концентрации, плотность светового потока
-------------------□ □---------------------
УДК 621.315.592
тепловые режимы кремниевых фотопреобразователей С фоклинными концентраторами
Н. И. Слипченко
Доктор физико-математических наук, профессор, проректор по научной работе* E-mail: nslip@kture.kharkov.ua В. А. Письменецкий Кандидат технических наук, профессор* Е-mail: Cntm@ukr.net Е. С. Глушко Стажер-исследователь* Е-mail: Glushkoolena@gmail.com Н. В. Герасименко Младший научный сотрудник* E-mail: n.v.gerasimenko@mail.ru *Кафедра микроэлектронных приборов и устройств Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, Украина, 61166
1. Введение
В настоящее время солнечная энергетика, базирующаяся на использовании солнечных элементов (СЭ), считается перспективной для создания экологически чистых, ресурсосберегающих и в перспективе
экономичных источников электрической и тепловой энергии. По оценкам экспертов Международного энергетического агентства к 2050г. 20-25% потребности человечества в электричестве будет обеспечиваться за счет солнечной энергии. К этому времени при сохранении темпов распространения передовых технологий
'0' : B. H. ПіюьменецкШ: Е. С. ГлушкЮ: Н. в. Герасименкс!: 2013
совокупная мощность солнечных фотоэлектрических установок в мире составит около 3000 ГВт [1].
Основной проблемой, препятствующей ускоренному внедрению в наземную энергетику солнечных энергетических установок, является низкий КПД фотопреобразователей (ФЭП) [2]. Очевидным способом повышения эффективности солнечных энергетических систем на основе ФЭП, является использование концентраторов, оснащенных системой слежения за солнцем, что существенно увеличивает коэффициент использования светового потока [3]. Концентрирование солнечного излучения - это один из путей снижения стоимости энергии за счет уменьшения расхода дорогих полупроводниковых материалов пропорционально кратности концентрации светового потока для выработки заданной электрической мощности и увеличения КПД фотопреобразователей при высоких значениях коэффициента концентрации [4].
При достаточных ресурсах и поддержке на концен-траторную технологию к 2050 г. будет приходиться
11,3% всей производимой электрической энергии [5].
2. Основная часть
В рамках выполнения украинско-российской программы развития сотрудничества в сфере нанотехнологий совместно ГП «Научно-исследовательский технологический институт приборостроения» выполняются работы по оценке эффективности применения оптических концентраторных систем для повышения энергоотдачи солнечных гетероструктурных элементов с квантово-размерными средами [6].
В результате были разработаны конструкции солнечных модулей с плоскими фоклинными концентраторами типа «усеченной пирамиды» (рис. 1,а) и концентраторами типа «усеченный конус» (рис. 1, б) [7].
б
Рис. 1. Солнечные модули с миниконцентраторами: а — модули с плоскими фоклинными концентраторами; б — модули с концентраторами типа «усеченный конус»
Основным элементом плоского концентратора, представляющего собой линейную конструкцию (фо-клин), являются плоские зеркала с селективным или неселективным покрытием, расположенные под определенным углом к нормали (рис. 1, а) [8]. Себестоимость зеркал на порядок ниже себестоимости фотоэлектрических элементов, а увеличение освещенности в 2-3 раза облегчает требования и уменьшает расход кристалла СЭ.
В рассматриваемой нами системе, концентратор солнечного элемента состоит из отражателей солнечного света, установленных по одному с обеих сторон
кристалла (рис. 2, а). Отраженный поток от отражателя падает на кристалл, а размеры отражателя определяются коэффициентом концентрации светового потока Кк.
На рис. 2, б представлены основные элементы концентратора, в частности: 1 - отражательный концентратор из фольги алюминия толщиной 100 мкм;
2 — кристалл монокремния 20х40 мм и высотой (толщиной) 200 мкм; 3 — алюминий-полиимидный диэлектрик, толщина алюминия 30 мкм, полиимида — 20 мкм; 4 — теплоотводящее основание из алюминия толщиной 300 мкм.
б
Рис. 2. Схематическое плоского концентратора: а - схема распространения лучей в концентраторе; б - основные элементы фоклинного концентратора
Такая конструкция, представляющая собой фо-клин, значительно дешевле и проще, чем известные концентраторы, использующие в своей основе собирательные линзы, либо же собирающие проецированный свет, и только потом отражающие его на поверхность солнечной батареи [9].
Кроме этого, немаловажно, что описанная выше система обеспечивает дополнительный теплоотвод, так как материалы зеркал, из которых изготовлены отражатели представляют тонкие металлические теплопроводящие конструктивные элементы.
Для режима однократного отражения (п=1), угол наклона отражающих поверхностей плоского концентратора можно рассчитать по формуле:
(1)
Используя формулу (1) находим значения угла с^, и значение длины отражателя Lz при заданном коэффициенте концентрации. Результаты расчетов представлены на рис. 3, где показаны наклонными линиями конфигурации боковых отражателей для разных значений параметра Kk (рис. 2, а) и зависимость их угла наклона С от параметра Kk (рис. 3, б). Можно сделать вывод, что с ростом параметра Kk увеличивается длина отражателя и угол его наклона с^. В результате увеличиваются габаритные размеры концентраторной системы в целом.
Далее проанализируем температуру ФЭП в зависимости от коэффициента концентрации, температуры окружающей среды и режима освещения AM0. Как известно, оценку температуры ФЭП можно выполнить с помощью соотношения:
Tf = |М + PrKk(1 -nf)
(2)
а
а
E
Рг Кк-(1 -nf) = 2-єs■ о-(т4-Т|),
где єs - нормативная относительная излучательная способность, равная 1;
- нормативный КПД ФЭП, принятый равным
17%;
о - постоянная Стефана-Больцмана;
Т£ - температура фотопреобразователя;
Т - температура окружающей среды.
кристалла (например, 100°С) и температуре окружающей среды (например, 30°С) оценить допустимое значение коэффициента концентрации Кк, которое составляет 1,5. Таким образом, дальнейшее увеличение параметра Кк требует обеспечения теплоотвода от кристалла ФП.
Для вычисления распределения температуры по кристаллу и боковым поверхностям отражателей - концентраторов используется численное решение теплового дифференциального уравнения вида [10]:
^х2 Т(х) = ^8» - т(х) + ,
(3)
б
Рис. 3. Зависимость профиля и размеров плоского концентратора от коэффициента концентрации: а - при различных значениях параметра Кк; б - зависимость угла наклона от параметра Кк
При помощи соотношения (2) выполнены расчеты температуры фотопреобразователя с учетом коэффициента концентрации Кк и температуры окружающей среды ^ .На рис.4, а представлены зависимости температуры ФЭП от коэффициента концентрации светового излучения при разных температурах окружающей среды. Как и следовало ожидать, с увеличением температуры окружающей среды повышается температура кристалла ФЭП. Соответственно с увеличением концентрации светового потока температура ФЭП также возрастает.
где х - текущее значение координаты;
Т - температура;
FTga и FTgb - характеристики режимов теплоотдачи (конвекции и излучения) основания и боковых отражателей соответственно.
На рис. 5, а представлены результаты расчетов температурного распределения в поперечном сечении фоклинного концентратора с наклонными отражателями для коэффициента концентрации Кк=2,5 с разной толщиной теплоотводящего металлического плоского радиатора-основания. Поскольку температурные зависимости симметричны относительно центра фоклина, распределение температуры в пределах ширины кристалла показано на интервале (0-10) мм, а для интервала (10-52) мм - аналогичное температурное распределение по наклонной поверхности бокового концентратора.
б
Рис. 4. Зависимость температуры ФЭП: а - от коэффициента концентрации; б - от температуры окружающей среды
На рис. 4, б представлены зависимости температуры ФЭП от температуры окружающей среды при разных кратностях концентрации солнечного излучения. Приведенные температурные зависимости позволяют при заданной максимальной температуре
б
Рис. 5. Температурное распределение в поперечном сечении концентратора: а - при разной толщине теплоотводящего основания; б - при различных значениях параметра Кк
Из представленных зависимостей можно сделать вывод, что с увеличением толщины радиатора-основания перепад температур в пределах кристалла уменьшается с одновременным уменьшением максимальной температуры. При этом распределение температуры по поверхности отражательного концентратора изменяется менее существенно.
На рис. 5, б иллюстрируется влияние на температурный профиль, при постоянной толщине радиатора
3 мм, в пределах кристалла (интервал 0-10 мм) и по поверхности отражательного концентратора (интервал 10-52 мм) разных значений параметра Кк (соответственно и разной длине боковых отражателей).
Сплошной линией показана температура кристалла без концентратора и радиатора. Как видим, с вве-
2
а
а
а
3
дением радиатора при малых значениях Кк =1,5 температура кристалла уменьшается и при увеличении этого параметра до Кк =2 остается меньшей, чем в исходном состоянии (Кк =1). Однако, при значениях Кк=2,5 температура кристалла начинает существенно расти, превышая значения для исходного режима работы с образованием резкого температурного профиля.
Авторы выражают искреннюю благодарность зам. директора ГП «<Научно-исследовательского технологического института приборостроения» проф. Борщову В.Н. за постановку задачи исследований и ряд полезных замечаний по ее реализации.
3. выводы
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
- Использование фоклинных концентраторов с плоскими отражающими поверхностями позволяет относительно просто увеличить плотность светового потока в 1,5 - 2,8 раза и соответственно эффективность фотопреобразования;
- Для обеспечения теплового режима кристалла ФЭП с учетом температуры окружающей среды и заданном коэффициенте концентрации Кк - 3 необходимо вводить дополнительные конструктивные элементы, обеспечивающие теплоотвод.
Литература
1. Enternational Energy Agency [Электронный ресурс] / Режим доступа: \WWW/ URL: http://www.iea.org/topics/solarpvandc-sp/ - 9.02.201З г. - Загл. с экрана.
2. Стребков, Д. С. Концентраторы солнечного излучения [Текст] / Д. С. Стребков. - М. : ГНУ ВИЭСХ, 2007. - З16 с.
3. Андреев, В. М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения [Текст] / В. М. Андреев, В. А. Грилихес, В. Д. Румянцев. - Л. : Наука, 1989. - З10 с.
4. Борщев, В. Н. Исследования тепловых характеристик высокоэффективных приемников солнечного излучения нового поколения [Текст] / В. Н. Борщев, В. А Антонова и др. // Технология приборостроения. - 2012. - № 1. - С. З-9.
5. Искрянников, Н. П. Автономные солнечные установки с концентраторами солнечного излучения [Текст] / Н. П. Искрянни-ков, К. Н. Свиридов, В. И. Шадрин // Журн. Интеграл. - 2005. - № 2. - С. 121-1З8.
6. Борщов, В. Н. Концентраторные солнечные батареи космического применения на сверхлегких объемных углепластиковых каркасах и многопереходных солнечных элементах [Текст] / В. Н. Борщев, А. М. Листратенко и др. // Мат. 5-й Междунар. научной конф. «Функциональная база наноэлектроники». Сб. науч. тр. - Харьков: Изд-во ХНУРЭ, 2012. - С. 9 - 1З.
7. Aitken, D. W. Transitioning to a Renewable Energy Future [Text] / D. W. Aitken // White Paper of International Solar Energy Society. - 200З. - 55 pp.
8. Кувшинов, В. В. Некоторые результаты исследования комбинированной установки для фототермопреобразования солнечной энергии [Текст] / В. В Кувшинов, В. А. Сафонов // Сб. научн. тр.СНУЯЕтаП. - 2009. - Вып. З1. - С. 158-16З.
9. Кувшинов, В. В. Разработка концентраторов для фотоэлектрических и комбинированных солнечных установок на основе боковых отражающих поверхностей [Текст] / В. В. Кувшинов // Сб. научн. тр.СНУЯЕтаП. - 2010. - Вып. З2. - С. 174-181.
10. Баранов, В. К. Методы расчета профилей фоконов и фоклинов [Текст] / В. К. Баранов // Гелиотехника. - 1990. - № 1. - С. 19.
I 53
