автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Разработка и исследование солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа

На правах рукописи

005061324

ПАНЧЕНКО ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА

/

05.14.08 — энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 ИЮН 1№

Москва - 2013

005061324

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии).

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

профессор, академик РАСХН, доктор технических наук, Стребков Дмитрий Семёнович

Официальные оппоненты: Виссарионов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, Московский энергетический институт (Национальный исследовательский университет), профессор кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Шеповапова Ольга Вячеславовна

кандидат технических наук, ГНУ ВИЭСХ, заведующая лабораторией энергообеспечения сельских зданий, крестьянских и фермерских хозяйств

Ведущая организация: МГУ им. М.В. Ломоносова

НИЛ "Возобновляемых источников энергии"

Защита состоится « О Ь » 2013 г. в 1 & °° часов на заседании

диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Тел.: +7 (499) 171-19-20 Факс: +7 (499) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru

С '

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

Автореферат разослан « Ь О » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Доктор технических наук д. И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В основе практически всех видов возобновляемых источников энергии лежит энергия излучения Солнца. Солнечная энергия (СЭ) - экологически чистый возобновляемый источник энергии, роль которого в современном мире легко оценить. Большая часть производимой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ, сопровождается химическим загрязнением окружающей среды, истощением природных ресурсов и приводит к "тепловому загрязнению Земли".

Актуальность работы.

Существенная часть территории России является малозаселённой, передача электроэнергии по ЛЭП в эти районы является нерентабельной, поэтому 70% территории не имеет централизованного электроснабжения. Для таких регионов (Крайний Север, восточные регионы и горная местность) использование собственных источников энергии является экономически целесообразным. Преобразование СЭ в теплоту и электричество представляет большой интерес для удаленных потребителей и владельцев солнечных электростанций.

Одним из методов преобразования СЭ в электрическую является метод прямою преобразования с помощью планарных и матричных солнечных модулей (ПСМ и МСМ). Это преобразование подразделяется на два направления - фотоэлектрическое преобразование неконцентрированного и концентрированного солнечного излучения (СИ). Существует два способа снижения стоимости солнечных фотоэлектрических станций: улучшение технико-экономических характеристик стационарных ПСМ и создание станций с концентраторами. Применение концентрирующих систем позволяет уменьшить расход полупроводникового материала, а использование систем слежения за Солнцем является одним из способов повышения эффективности установок. В настоящее время известны зеркальные, призменные концентраторы и линзы Френеля. К зеркальным относятся концентраторы с образующими в форме кривых второго порядка, окружности, параболы, гиперболы, эллипса, образуя сферические, параболоидные, параболоторические, гиперболовдные, а также цилиндрические и плоские конические поверхности. Концентраторы параболоидного типа хорошо зарекомендовали себя как в установках с тепловыми приёмниками, так и с фотоэлектрическими приёмниками (МСМ). Основными особенностями МСМ, разработанных в ГНУ ВИЭСХ, является возможность их использования при высоких концентрациях СИ, при котором наблюдается также увеличение КПД. Использование же концентратора параболоидного типа позволит создать фокальную область на фотоприёмнике с необходимым распределением освещённости. Поэтому разработка и исследование комбинированного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа для одновременного производства электрической и тепловой энергии является актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка, изготовление и испытание в натурных условиях солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентраторами параболоидного типа и различными приёмниками солнечного излучения. Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Рассмотрение состояния современного использования концентрированного СИ в солнечных энергетических установках с различными типами фотоприёмников;

2. Создание методики расчёта и проведение расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхности различных фотоприёмников.

3. Разработка технологии и способа изготовления концентратора СИ параболоадного типа с необходимым распределением освещённости в фокальной области, а также расчёт геометрии фацет этих концентраторов и предложение технологии их изготовления; на основании расчётных данных изготовление и исследование экспериментальных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с теплофотоэлеюрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стерлинга (ДС);

4. Создание алгоритма и методики расчёта теплового режима работы водяного радиатора МСМ в программном комплексе Ашуэ и моделирования тепловых режимов работы фотоприёмника когенерационного солнечного модуля; обеспечение нанесения тонкого теплопроводного слоя диэлектрика (изолятора) между радиатором и МСМ;

5. Разработка методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях; исследование экспериментальных вольт-амперных характеристик МСМ и ПСМ при концентрированном СИ с воздушным и водяным охлаждениями, исследование экспериментальных тепловых характеристик солнечного теплофотоэлестрического модуля и солнечного модуля с ДС; сравнительный анализ выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными преобразователями СЭ;

6. Предложение перспективных областей применения теплофотоэлектрических установок и технико-экономическое обоснование использования разработанных солнечных теплофотоэлектрических модулей для теплоэлектроснабжения.

Научная новюна работы состоит в:

1. Разработке методики расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхностям различных фотоприёмников;

2. Создании методики расчёта фацет концентратора параболоидного типа и способе его изготовления;

3. Разработке методики моделирования теплового режима работы радиатора фотоэлектрического приёмника в программном комплексе Атуэ;

4. Применении способа нанесения тонкого теплопроводящего диффузионного слоя диэлектрика на поверхности радиатора для фотоэлектрических элементов методом микродугового оксидирования;

5. Изготовлении и исследовании экспериментальных образцов солнечных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с цилиндрическим теплофотоэлектрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стерлинга;

6. Создании методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях.

Практическая ценность работы.

Материалы диссертационной работы, представленные ниже, используются в разработках солнечных энергетических установок на базе концентраторов параболоидного типа с матричными и планарными солнечными модулями, а также тепловыми фотоприёмниками.

1. Методика и алгоритм расчёта профиля концентратора параболоидного типа с заданной освещённостью в фокальной области для использования с различными фотоприемниками позволяют рассчитывать распределение концентрированного СИ по поверхности фотоприёмника в зависимости от свойств самого приёмника.

2. Методика и алгоритм расчёта фацет для изготовления концентратора параболоидного типа с заданным профилем и размерами позволяют рассчитывать и изготавливать фацеты для его изготовления с рассчитанным распределением концентрированной освещённости и заданными размерами.

3. Методика и алгоритм расчёта в программном комплексе АпвуБ теплового состояния водяного радиатора фотоэлектрического приёмника солнечного концентраторного модуля позволяет рассчитывать и визуализировать тепловое состояние, течения, распределение температур и т.д. любого приёмника СИ.

Разработанный и изготовленный макет с концентратором параболоидного типа и теплофоэлектрическим приёмником с МСМ и водяным радиатором позволяет получать электричество, пригодное для дальнейшего использования в инверторах и аккумуляторных батареях. Наряду с электричеством потребитель получает тёплую воду с температурой 25 - 60 °С и более в зависимости от расхода теплоносителя. Разработанный и изготовленный макет с концентратором параболоидного типа и тепловым приёмником в виде горячего цилиндра двигателя Стерлинга УДС -1 позволяет получать механическую энергию и преобразовывать её в электрическую. Наряду с механической или электроэнергией потребитель получает тёплую воду с температурой 25 - 45 °С в зависимости от расхода теплоносителя. Рассчитанные концентраторы модулей позволяют получать требуемое распределение концентрированного СИ по поверхности фотоприёмников.

Представленные выше методики и изготовленные макеты внедрены в учебный процесс и производственную практику различных организаций, что подтверждено соответствующими актами о внедрениях: ФГБОУ "Астраханский государственный университет" направление подготовки "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" по дисциплине "Альтернативная энергетика", г. Астрахань; ФГУП экспериментальный завод "Александровский" Россельхозакацемии, г. Александров; Промышленное предприятие ОАО "АлМет" г. Ульяновск, специализирующееся на производстве спутниковых антенн; Предприятие ООО "Энерготехнологии" г. Краснодар, специализирующееся на производстве солнечных модулей и коллекторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа с различными отоприёмниками позволяет рассчитывать конструктивные параметры разрабатываемого олнечного модуля с заданным профилем распределения освещённости по поверхности отоприёмника сложной формы;

2. Расчёт фацет для изготовления концентратора параболоидного типа, разработка ;хнологии его изготовления и конструкции модулей с концентраторами параболоидного типа цилиндрическим теплофотоэлектрическим приёмником с матричными и планарными олнечными модулями и тепловым приёмником в виде двигателя Стерлинга позволяют зготавливать разработанные солнечные модули в лабораторных условиях;

3. Методика моделирования теплового режима радиатора фотоэлектрического приёмника концешраторного солнечного модуля позволяет оценивать, прогнозировать и визуализировать тепловое состояние фотоприёмников солнечного излучения;

4. Разработанная методика проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях позволяет исследовать тепловые и фотоэлектрические характеристики модулей с концентраторами параболоидного типа при воздушном и водяном охлаждениях фотоприёмников;

5. Предложены перспективные области применения теплофотоэлектрических установок с концентраторами параболоидного типа и технико-экономическое обоснование использования разработанных солнечных теплофотоэлектрических модулей для теплоэлектроснабжения.

Достоверность научных результатов, теоретических исследований и основных выводов подтверждена совпадением аналитических данных с данными испытаний солнечных теплофотоэлектрических модулей, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы.

Выступления с результатами исследований по теме диссертации на заседаниях секций Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (2009 - 2013 г. г.), а также на конференциях, семинарах научных учреждений и участие в выставках:

- на 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ГНУ ВИЭСХ, 18 -19 мая 2010 г. и 16 мая 2012 г.; на конференции "Электрификация, энергообеспечение, элекгромеханизация и автоматизация в сельском хозяйстве", 13 декабря 2011 г.

- на Международной научной сессии "Инновационные проекты в области агроинженерии" и научно-практической конференции "Инновационные и энергосберегающие технологии в АПК", МГАУ им. В.П.Горячкина, 6 октября 2011 г. и 27 марта 2012 г.

- на семинаре в Крокус Экспо "Энергетика Будущего", конференции "Малая и возобновляемая энергетика, энергосберегающие технологии и методы передачи электроэнергии", 18 ноября 2011 г.

- на международной конференции в рамках стажировки International Programme on Solar Energy Technologies and Applications at the Solar Energy Centre, Индия, г. Дели, 1 декабря 2011 г.

- на IX-й Международной ежегодной конференции "Возобновляемая и малая энергетика - 2012", Конгресс-Центр Экспоцентра, 14 июня 2012 г.

- на Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве", РУП "Научно - практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства", Республика Беларусь, г. Минск, 10-11 октября 2012 г.

- на Российской агропромышленной выставке "Золотая осень", Москва, ВВЦ, 11-14 октября 2012 г.

- на Восьмой Всероссийской научной молодёжной школе с международным участием "Возобновляемые источники энергии", МГУ им. М.В. Ломоносова, 20 - 23 ноября 2012 г., где получен диплом победителя конкурса работ молодых учёных.

- на 6-м Международном форуме по интеллектуальной собственности Expopriority 2012, ЦВК "Экспоцентр", Москва, 28 - 30 ноября, 2012 г.

- на выставке Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века. 28-я выставка "Национальная Слава" и конкурс. Продукция машиностроительных, приборостроительных предприятий, Москва, 16-19 декабря 2012 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ в центральной печати, из которых 9 в рекомендованных ВАК изданиях и 3 по материалам конференций, вынесено 1 решение о выдаче патента.

Структура и объём диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения; изложена на 172 страницах машинописного текста (в том числе четыре приложения на 35 страницах), иллюстрированных 142 рисунками и 28 таблицами; список литературы включает 153 наименования (в том числе 30 на иностранных языках).

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается её научная новизна и практическая ценность, приводятся положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы, приводится апробация работы.

В первой главе "Обзор конструкций и характеристик солнечных энергетических установок с концентраторами" рассмотрена классификация солнечных энергетических установок, проведён обзор матричных солнечных модулей (МСМ) с вертикальными р-п переходами, которые представляют собой структуры, в которых р-n переходы электрически соединяются последовательно, а освещение осуществляется параллельно плоскости р-п переходов. На рис. I слева показан общий вид СМ с размерами 10x60x0,4 мм, содержащий 25 микроэлементов. При излучении с плотностью потока 102,5 кВт/м2 КПД составил 20 %, рабочее напряжение 16,3 В, рабочий ток 0,9 А, при освещённости 493 кВт/м2 - 59,16 Вт. Использование МСМ с концентраторами позволяет получать рабочее напряжение порядка 750 В (рис. 1 посередине) и использовал, их с бестрансформаторными инверторами.

I

?У

Рис. I. Фотоэлектрические СМ в оболочке из стекла на основе матричных СМ с размерами 10 мм хбОмм (слева), 400мм хбОмм (посередине) и I см~ на трубке-радиаторе

(справа)

Рассмотрены электростанции на основе параболоидных концентраторов с различными фотоэлектрическими и термодинамическими преобразователями. Наиболее развиты две технологии термодинамического преобразования СЭ, основанные на циклах Ренкина и Стерлинга. Высокий КПД, простота и надежность конструкции ДС обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках, где достигнут коэффициент преобразования СЭ в промышленную электрическую - 31,25 %.

Рассмотрено использование параболоидаых концентраторов с МСМ (рис. 2). В центре фокального пятна (2 - 3 см) распределение освещённости однородно, но с увеличением расстояния (8-9 см) изменяется до 50 %. В качестве фотоприёмника использовались МСМ размером 1 см2 на жидкостном трубке-радиаторе с! = 1,5 см (рис. 1 справа) и воздушном радиаторе (рис. 2 посередине). Ток к. з. СМ при освещённости Е = 777 Вт/м" - 1,36 мА, а с концентратором диаметром 0,5 м при Е = 623 Вт/м2 - 78 мА. Концентрация составила 69 крат, КПД = 18,8 %, удельная мощность - 0,86 Вт/см2.

Рис. 2. Распределения освещённости в фокусе 1-сферического, 2-квазипараболического, 3,4-параболоторических концентраторов (слева), фотоэлектрический СМ с параболоидным концентратором (посередине) и распределение освещённости в фокусе концентратора (0,5 м)

по координатным осям (справа)

В качестве способа создания электроизоляционной высокотеплопроводной прослойки между СМ и радиатором предложен метод мпкродугового оксидирования (МДО). Для МДО-покрытий, полученных на алюминиевых сплавах, характерны: толщина - до 400 мкм; пробойное напряжение - до 6000 В; теплостойкость - до 2500 °С; пористость - от 2 до 50 % (регулируемая). По составу и структуре МДО-покрытия на алюминии близки к корунду или сапфиру, которые обладают высокими электроизоляционными свойствами.

Сочетание фотоэлектрического и термо,динамического преобразований СЭ увеличивают эффективность установки, дополняя друг друга. Запуск термодинамической части облегчается электроэнергией от фотопреобразователей, а её тепловая инерционность сглаживает выработку электроэнергии во время колебаний СИ. В качестве термодинамических преобразователей СЭ наряду с ДС рассмотрены турбина Тесла; объемно-лопастной преобразователь, разработанный Институтом проблем управления РАН; героторный преобразователь; преобразователь тепла с турбиной в замкнутом цикле (ЖМАТ; приведено сравнение параметров вышеперечисленных преобразователей.

Рассмотрена двухкоординатная система слежения за Солнцем (ССС), а также электрические актуаторы с шариковинтовой передачей. ССС и электрические приводы солнечных установок имеют низкое энергопотребление и увеличивают выработку энергии на 30 %.

Проведенный обзор позволил обосновать постановку задач исследований. В соответствии с проведённым анализом состояния использования концентрированного СИ для электротеплоснабжения появилась потребность в создании теплофотоэлектрической солнечной установки с концентратором параболоидного типа. Для одновременного получения электрической и тепловой энергии предлагается солнечный модуль (рис. 3 слева), концентратор которого рассчитывается по методике, рассматриваемой в главе 2, и позволяющий получать необходимое распределение освещённости в фокальной области для различных фотоприёмников. На одной части теплофотоэлектрического приёмника - поверхности

цшшндрического фотоэлектрического преобразователя 2 формируется равномерная освещённость концентрированного СИ, а на верхней части теплофотоэлектрического приёмника 4 формируется освещённость концентрированного СИ для догрева теплоносителя.

Во второй главе "Теоретическое исследование солнечного модуля с концентратором параболоидного типа и различными типами приёмников излучения"

рассмотрена методика расчёта профилей концентраторов параболоидного типа с необходимым распределением освещённости в фокальной области и различными фотоприёмниками, а также расчёт теплового режима радиатора теплофотоэлетрического приёмника.

1. Теплофотоэлектрический приёмник в составе когенерационного модуля.

Разработанная методика базируется на подборе соответствующих параболических профилей концентратора, которые удовлетворили бы конкретным граничным условиям, таким, как распределение освещённости, размер фокальной области и фотоприёмника, необходимая мощность и т.д.. С использованием этой методики разработан составной концентратор I параболоидного типа солнечного теплофотоэлектрического модуля, который обеспечивает равномерную освещённость в области фокального пятна на цилиндрическом фотоэлектрическом приёмнике и работу модуля при средних концентрациях (5-10 крат); получение на одном солнечном модуле технически приемлемого напряжения (12 В и выше); повышение КПД фотопреобразования, а также догрев проточной воды с помощью второго концентратора для тепловой части фотоприёмника.

Теплофотоэлектрический модуль (рис. 3 справа) состоит из концентратора параболоидного типа 1, который обеспечивает концентрированную освещённость на цилиндрической фотоэлектрической части 3 поверхности приёмника 2 и фокальную область на поверхности тепловой части 4.

Рис. 3. Схема конструкции теплофотоэлектрического модуля (слева) и ход .пучей от концентратора параболоидного типа до фотоприёмника (справа)

9

СИ, попадая на поверхность концентратора 1, отражается под углами наклона, ориентированными в своих зонах (а - Ь, Ь - с, с - ф таким образом, что обеспечивается необходимая концентрация освещённости:

- на фотоэлектрическом приёмнике 3, выполненного в виде цилиндра радиусом г0 из скоммутированных МСМ высотой И,,. Фоториёмник соединён с устройством охлаждения 5;

- на тепловом приёмнике 4, выполненного в виде усечённого конуса с максимальным радиусом г0 и минимальным радиусом тт боковой поверхности для догрева проточной воды.

На примере составного двойного концентратора представлен алгоритм расчёта профиля концентратора (табл. 1).

Табл. I. Алгоритм расчёта профиля составного двойного концентратора

Профиль отражающей поверхности зон а - b, b - с концентратора X (У) определяется системой уравнений, соответствующей условию распределения освещённости на всей поверхности фотоэлектрической части приёмника:

Xn = Rn-(k-l)-r0, Yn = Rn2/4-5„ Rn = 2í,-(tgan +coscO, Aa = ac/N, o^cv (n-N/2), AY* = X*2/4-f,, Y*n = ДY* • n,

X* = 2f,-Q-[(1 + 1/Q2)w-1], Q = В/г« B = ho + h, (1)

X„ = [4f| • (Y* + Y*n)] '/2, AY = P • [1 ± (1 - 4R/P2) 1/2]/2, P = L + Yn, L = ío + h + hjl, R = Yn-L-Xb2/4, где R„ — радиус концентратора в зоне а — с в точке координат Х„,УП поверхности параболы с фокусным расстоянием f0;

а?, - угол между уровнем ординаты в точке координат Хп,У„ и отражённым от поверхности параболы лучом, приходящим в фокальную область шириной ho, расположенной на радиусе г0 фотоприемника в интервалах Да = a</N, где п выбирается из ряда целых чисел n= 1,2,3.. .N;

Оо - угол между уровнем ординаты Уь и лучом, отражённым от рабочей поверхности в точке координат Хь,Уь и приходящим в нижнюю часть фокальной области цилиндрического фотоприёмника шириной Ь0;

параметр И изменяется в пределах от 0 до Ь0;

значения параметров к выбираются на основании граничных условий в соответствии с алгоритмом расчёта профиля концентратора и распределением концентрации лучей на фотоприёмнике.

Геометрическая концентрация освещённости фотоэлектрического приёмника К_„ в интервалах радиуса концентратора АЯП = 11п+1 -1^,= ДХ„ = Х„—Х^ равна:

КП = (ЯП„2-ЯП2)/ДЬП, ДЬп = (Ь0-п)/Ы. (2)

Профиль отражающей поверхности зоны с — с! концешратора X (У) определяется системой уравнений, соответствующей условию распределения освещённости на всей поверхности тепловой части фотоприёмника:

Хс = 2Ус-(1/созрв-18рв), 1ёрв = (Ус-Нв)/(Кс-гво), Гв = Ус-Хс-1ёрв,

гв = Хс-Яс, с1* = Ь'/Упфо, сГп = с1* • п/Ы, (3)

Хв„ = • + 1/созуш), {Цф0 = и7(г0 - г*ю),

где рв — угол между уровнем ординаты в точке координат Хс,Ус и отражённым от поверхности параболы с фокусным расстоянием £ лучом, приходящим в фокальную область усечённого конуса радиусом гв фотоприёмника;

уп - угол между уровнем ординаты в точке координат ХП,УП в зоне с - с1 и отражённым от поверхности параболы с фокусным расстоянием {„ лучом, приходящим в фокальную область усечённого конуса шириной (1* фотоприёмника в интервалах Ас1* = с1*/Ы, где п выбирается из ряда целых чисел п =1,2,3.. .1\1;

ф0 - угол наклона боковой поверхности усечённого конуса фотоприёмника;

значения параметров ф0 выбираются на основании граничных условий в соответствии с алгоритмом расчёта профиля концентратора и распределением концентрации лучей на поверхности усечённого конуса.

Геометрическая концентрация освещённости теплового приемника К„ в интервалах радиуса концентратора ЛИ,, = = ДХП = Хп - Х^ равна:

Кп = (Я2„м - Я2„)/(г*п+1 + г*п) • М\ (4)

На основании приведённых формул проведён расчет профиля концентратора — график зависимости X (У) (рис. 4 слева) и распределения концентрации освещённости от зон а—Ь, Ь — с на боковую поверхность цилиндрического приёмника от ширины фокальной области (от 0 до Ьо) в относительных единицах (от 0 до 1) (рис. 4 посередине). Также на рис. 4 справа представлен график распределения концентрации освещённости от зоны с - б по торцевой поверхности тепловой части приёмника от ширины фокальной области (от 0 до с!) в относительных единицах (от 0 до 1).

Рис. 4. Профиль поверхности концентратора (слева), распределение концентрации по фотоэлектрической части приёмника (посередине) и тепловой (справа)

Фотоэлектрический приёмник изготавливается в виде цилиндра со скоммутированными МСМ длиной Ьо и радиусом г0, закреплёнными при помощи теплопроводящей пасты на боковой поверхности алюминиевого радиатора с электроизоляционным и теплопроводящим слоем А1203, полученным методом МДО, разработанным научным сотрудником ГНУ ВИЭСХ Трубниковым В.З.

2. Приёмник - двигатель Сгирлинга.

Вышерассмотренная методика применена дня расчёта профиля концентратора с тепловым приёмником в виде горячего цилиндра ДС, таким образом повысив эффективность нагрева поверхности приёмника при высоких концентрациях СИ и расширив конфигурации и типы применяемых ДС за счёт распределения освещённости на боковой и торцевой поверхностях приёмника одновременно. Рассматриваемый солнечный модуль (рис. 5 слева) состоит из концентратора параболоидного типа 1, который создает фокальную область 2 шириной Ьо концентрированного СИ на поверхности цилиндрического фотоприёмника 3 длиной Н и радиусом г0, имеет устройство охлаждения 4, входящее в состав ДС 5. Концентратор состоит из трёх зон с различными профилями. СИ, попадая на поверхность, отражается под углами наклона, ориентированными в своих зонах а-Ь, Ь-с, с-с! таким образом, чтобы они обеспечивали концентрацию СИ в фокальной области 2 на различных частях приёмника 3. Рассчётная форма концентратора и график распределения освещённости по боковой поверхности цилиндрического фотоприемника ДС представлены на рис. 5 справа. Лучи, отражённые от концентратора в зоне с — (3, концентрируются в фокальной области на торце цилиндрического фотоприёмника с гауссовским распределением от центра к периферии радиусом г0.

-

Я"

1 1 11

Распределение освещенности по боковой по ве р хностм фо то при* мм им

♦5,0 40,0 | 55.0 X 30,0 | 25,0 | 20,0 I 15,0

г:

Рис. 5. Схема конструкции солнечного модуля с ДС и ход лучей от концентратора до приёмника ДС (слева); профиль концентратора и распределение освещённости по боковой поверхности цилиндрического приёмника ДС (справа)

Увеличение концентрации по высоте фотоприёмника (рис. 5 справа) способствует увеличению температуры нагрева наиболее активной области рабочего тела (воздух), находящегося внутри горячего цилиндра ДС.

3. Фотоэлектрический приёмник, совмещённый с концентратором-радиатором.

Рассматриваемая методика применена к расчётам концентратора параболоидного типа, который обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при относительно высоких концентрациях и обеспечивает равномерное освещение фотоэлектрического приёмника (рис. 6 слева) и имеет воздушное охлаждение, причём радиатором является сам концентратор. СИ, попадая на поверхность концентратора 1, отражается от верхней (зоны а—Ь) и нижней (зоны с - с1) частей концентратора таким образом, что обеспечивается достаточно равномерная освещённость концентрированного СИ в фокальной области фотоприёмника 2, расположенного в зоне концентратора Ь - с. На рис. 6 справа представлен расчетный профиль

Рис. 6. Схема конструкции солнечного модуля с концентратором, являющимся для фотопреобразователей и устройством охлаждения и ход лучей от концентратора до фотоэлектрического приёлшика (слева); профипь поверхности конг^нтратора и распределение освещённости на фотоэлектрическом приёмнике (справа)

На основании приведённых расчётных моделей можно производить сравнительный анализ параметров, выбор конструкции фотоприёмников и профилей концентраторов.

Для расчёта теплового состояния радиатора теплофотоэлектрического модуля проведён его аналитический расчёт, в котором необходимо обеспечить температуру цилиндрической поверхности приёмника (фотоэлектрических элементов) не выше 60 °С. Температура воды на выходе из радиатора составила 58,5 - 98,5 °С при температуре воды на входе в торцевую часть радиатора не выше 44 °С, и 101,4 - 115,8 °С при температуре выше 44 °С. Зависимость температуры воды на выходе из боковой и торцевой частей радиатора от расхода воды и зависимость температуры воды на выходе из радиатора от расходы воды при различной мощности СИ представлены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость телтературы воды на выходе га боковой и торцевой частей радиатора от расхода воды (слева) и зависимость температуры воды на выходе из радиатора от расхода воды при розничной мощности СИ (справа)

13

Для уточнения конструкции, теплового режима, визуализации теплового состояния и процессов течения произведены дополнительные расчёты в программной среде ANSYS. Алгоритм расчёта представлен на рис. 8 слева. В программных средах Autocad и Ansys рассмотрены различные конструкции радиаторов и просчитаны тепловые режимы работы. На рис. 8 справа представлен вариант радиатора и характеристики теплового режима. Тепловые характеристики всех рассчитанных радиаторов сведены в таблицу и графически показаны (рис. 8 снизу).

L исходные дсыные приемника (геометрия, говорить, материал) 10. Стодагиг догтстзс (задание областей и мчен различных доменов) 39. Boundary De-tolls (задание теплового потока иерез псверхность) V

1 J l

£■ Создание дьяперноя модели IL Матеоиал ослостн £0. Жидкость

<дь»4ерныи чертех в Autocad) (выбор оеласти домена) (задание течения жидкости)

1 1 1 i

3. Создание трехмерно« модели IE. Heat transfer £1. Inlet 1

(трехмеоная модель » SolydVorks) (задание теплопроводности оеласти) (задание вгкяка жидкости)

J 1

4. Сохлой»»« тоахмооиая MÛ ДОЛИ в Формате Parasol И (сохранение в SotydVorks) 13. Задание остальных доменов (выеср материалов доменов) гг. Outlet (задание выходного отверстия) i 1

1

5. Проект в Artsys Workbench (Fluid По» <СЛО) 14. Создание интерфейсов (оказание i^rrepcencoe и их на за ом-еда) £3. Solver Control (вызоь 'реиателя')

1

6. GooBotry и DrclQnHQdolor (открытие модели) 15. Interface type (ТИП нптсргспоо и взоимодеяствл-цие домены) 24, Мах. Iterations (выбор количества максимальных итерация)

J J 1

7. Gansfota (сохранение проекта тсехиернод модели) 16. Addttonol Inter-face Models («козание возможности теплообмена междз доменами) 25. Solution. Start Run (запуск *Ремате ля*> Г 1

1 J i

8. Generate Mesh <задан»е сетки конечных злепемтоь тоекмеоноя модели) 17, Смнметмм (задание симметрии модели) £6. CFX-Post (результаты росаета для любых кжерхностея) t

1 J 1 i

9. CFX-fre - Setup (гадоние граничных ¡¿сдоеии) 18. Условия нагрева (задание нагрева боковоп г?. Вывод (снз&юлкэация выходных

поверхности) паоанетооь расчета)

npipii.ca.L-. ли

У

р.......i Ц

п m

Рспределание темпер.тур прм различны* комет рухдоях радиаторов

/

У*.

Л

Расход. ; емггратура Температура Мякс. Количество

Л МНЕ возы на фотоэлемента. СС спорость впусншх

выходе, СС потока, м с отверсий, шт.

0.5 49 62 0.22 4

0,25 65 S? 0,11 4

Рис. 8. Алгоритм расчёта теплового режима в программной среде Атуз (слева) ; пример расчёта теплового состояния радиатора при различных расходах жидкости (справа) и зависимости температур фотоэлементов и воды на выходе для различных конструкций радиаторов и различных расходах воды (снизу)

Наиболее оптимальными с точки зрения отбора теплоты водой и охлаждения СМ оказались четыре рассмотренные конструкции радиаторов. Температуры воды на выходе 49 °С и температуры СМ 59 °С удалось добиться при расходах 0,5 - 1 л/мин. В когенерационной солнечной установке возможно использование всех остальных рассмотренных конструкций радиаторов с различными расходами.

В третьей главе "'Экспериментальное исследование теплофотоэлекгрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа" рассматривается разработанная технология изготовления концентраторов параболоидного типа (рис. 9 слева), изготовление радиатора теплофотоэлекгрического приёмника, а также исследование солнечных модулей с теплофотоэлектрическим приёмником и ДС.

С целью изготовления фацет концентратора проведены расчёты его профиля по разработанной методике в Microsoft Excel, создан чертёж профиля в AutoCad, в SolidWoKks создана 3D модель лепестка, а его вьжройка в Forming Suite. Из изготовленных фацет собраны три концентратора с различными распределениями освещённости в фокальной области (рис. 9 справа). Изготовлен радиатор водяного охлаждения с посадочной поверхностью для фотоэлектрических элементов, имеющей большую теплопроводность и одновременно являющейся диэлектриком (рис.9 справа). Таких свойств удалось добиться благодаря применению метода МДО.

<оалонив

1

1

3. Вывод координат про*иля (сохрамемк к00р4ин01 про»иля для импорта)

1

(создание одинат профиля в Autocod

для ммпо ото е» SolldWtwks)

1

коицвнтоатооа>

1

6. Pocvwt концентратора модели лепестка

I

" теех мерной модели ь Fo«"-mI»o Sul-fce

1

S. Роои»т выко .ZJL^ZJZZ "*

1

Импорт вык <»Ы»ОЛ РОПКН лепестка » мкропкн на neuatv>

1

1а Печать •ымропкч лепестка MOOUTQ»« lit

11. Изготовление т»ердотелното ыавлома

1

12. Ив готовлен листа ал»» нния Alonod мя твердом» иоБ/юн»)

1

«ходиного количества

14. Соединение <иопольэ!«тс всех лепестков в я опоксиднып сваома}

1

15. Подготовка ыс лоно» каркаса для онцвнтротоеа)

1

1 ^......_ .....

17. ».т»»«. » "О

•."соединение мех

_______________ _ ._

1S. Жесткое <*v о концентратором •тся эпоксидиып 1ли сеарка>

1

19. Покеаока -«»готовленного

(придание окончат« льмого ро»оч«го лицо'

1

SO. иотнокна к онц»нтеатова и

«подготовка м мос ле а о»амиям>

Рис. 9. Апгоритм изготовления концентратора параболоидного 'типа (слева) кон11ентраторы параболоидного типа, изготовленные аз лепестков для различных преобразователей, радиатор водяного охлаждения со слоем, полученным с помощью ЬЩО (справа) и теплофотоэлектрический модуль с двумя концентраторами (внизу)

По разработанной методике проведены исследования электрических характеристик теплофотоэлектрического модуля (рис. 9 внизу) при натурных испытаниях с различными условиями засветки и охлаждения. В фотоэлектрическом приёмнике использовались четыре вида СМ по 4 элемента в группе. В качестве исходаых использовались три вида планарных СМ и матричные СМ. Эксперименты проводились для сравнения характеристик каждой группы

в г

Рис. 10. BAY СМ при раз.пичньис условиях засветки и охлаждения. Представлены показатели рабочих точек матричных (г), тонких двусторонних (в), круглых, двусторонних (б) и круглых односторонних (а) СМ; снизу вверх при "одном Солнце", при концентрации с воздушным и два замера при водяном охлаждениях

Все эксперименты проводились на основании разработанной методики проведения натурных испытаний с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими фотоприёмниками. При концентрированном СИ и без водяного охлаждения ухудшились показатели КПД всех ПСМ, но КПД МСМ немного возросло. Температура поверхности СМ составила 74 °С. При расходе воды 1,4 л/мин - 42 °С, а при расходе 0,3 - 0,5 л/мин - 60 °С. КПД модуля при работе с концентратором без учета оптических потерь увеличивается с 9,5 % до 12,3 %. С учетом г| от = 0,65 КПД = 7,4 %, при п от = 0,8 КПД фотоэлектрического преобразования модуля повышается до 9,9 % , что говорит о целесообразности применения МСМ в составе теплофотоэлектрической установки с концентраторами параболоидного тапа.

Средняя концентрация по боковой поверхности фотоэлектрического приёмника составила около 7 крат (рис. 11 слева и справа). Концентрация по диаметральным замерам торцевой поверхности составила 20 - 25 крат (рис. 11 внизу).

_______

^—— 4 НЕ]

.....

Расстоянии прийннико, см

Расстояние лрнлмника, п

Расстояние приёмника, см

Рис. 11. Распределение освещённости по боковой (слева и справа) и торцевой (внизу) поверхностям теплофотоэлектрического приёмника На рис. 12 представлены температурные характеристики при воздушном (слева) и водяном охлаждениях (справа) с одним концентратором (0,6 м). Представлены температуры внутренней боковой и торцевой поверхностей радиатора. На рис. 13 представлены тепловые характеристики радиатора при работе с двумя концентраторами (0,6 м и 1 м) и водяном охлаждении.

Тнагр эл = 73-75 "С

10 15

25 30

0 5 10 15 20 25 30 3.'

Время, мин

Рис. 12. Тепловые характеристики радиатора при работе с одним концентратором и воздушном (слева) и водяном (справа) охлаждениях

140

120 -

Без воды Тиар вер=150 °С Тнарбок=105 °С Тэл=78°С

Пуск воды Твых=38 "С Рэсход=0,5 л/мин

30 40

Время, мин

Рис. 13. Тепловые характеристики радиатора при работе с двумя концентраторами и

водяном охлаждении

Исследованы тепловые режимы работы ДС с воздушным и водяным охлаждениями совместно с параболоидным концентратором производства ОАО АлМет, а также с разработанными концентраторами параболоидного типа. На рис. 14 слева представлен макет модуля с ДС и параболоидным концентратором (0,6 м), различные зоны ДС и распределение освещённости в фокусе по торцу цилиндра (справа). Температурные характеристики ДС представлены на рис. 14. посередине, где области — 1-торец горячего цилиндра; 2 - верхняя боковая часть горячего цилиндра; 3 - нижняя боковая часть горячего цилиндра; 4 - рёбра радиатора; 5 - холодный цилиндр. Последний замер проводился при температурах воды в радиаторе 30 °С и 12 °С воды на входе. Температура начала работы двигателя составила около 400 °С.

11

Рис. 14. ДС с параболоидным концентратором и различные зоны ДС (слева) ; распределение освещённости (справа) и температуры различных областей ДС с водяньш

охлаждением (посередине) Исследованы тепловые характеристики ДС в составе с изготовленными концентраторами параболоидного типа (рис. 15) в натурных условиях. Через рубашку ДС проходит вода с расходом 0,25 л/мин, на выходе её температура составляет 40 °С (замеры № 6 -7) Температура начала работы двигателя составила около 200 °С.

350 ■ ЗОО ■ 250 -: 200 - 150 100 -

Рис. 15. ДС с концентраторами 0,6м и 1 м (слева); температуры различных областей

двигателя (справа)

При работе с двумя концентраторами диаметрами 0,5 м и 1 м (рис. 16 слева) концентрация составила около 12 крат по боковой (рис. 17 слева) и около 27 крат по торцевой поверхности цилиндра (рис. 17 справа). Расход воды составил 0,25 л/мин и её температура на выходе - 37 °С (замеры № 5 - 6) (рис. 16 справа).

|. ДС с концентраторами 0.5 ми 1 м (слева) и температуры различных областей двигателя (справа)

Рис. 17. Распределение освещённости по боковой (слева) и торцевой поверхностях (справа) горячего цилиндра ДС

На рис. 18 слева представлены параметры солнечного модуля с ДС. Применение разработанных концентраторов параболоидного типа в сравнении с концентраторами производства ОАО АлМет снижает начальную температуру работы ДС в два раза (с 400 °С до 200 °С). Возможно получение воды на выходе с температурой 37 - 40 °С и более, что говорит о возможности применения установки как когенерационной. Распределение освещённости по торцевой и боковой поверхностях цилиндра позволяет нагреть наиболее эффективную площадь горячего цилиндра ДС.

Расчетные интегральные значения вырабатываемой электроэнергии ДС с концентратором (ДСК) с ССС можно рассматривать в сравнении с энергией, вырабатываемой стационарной солнечной электрической станцией (СЭС) с планарными модулями и СЭС с концентратором, работающей в стационарном режиме и с ССС. Расчетные зависимости вырабатываемой электроэнергии установок с концентратором (1 м) с ДС и солнечными модулями с концентраторами и без от времени года (июнь - декабрь) и широты ср = 57° представлены на рис. 18 справа. КПД ДС Г1дс = 0,3; КПД фотопреобразователей г^ = 0,15 для всех трёх типов СМ; оптический КПД г|ога. = 0,8 для установок с концентратором. Верхняя характеристика - модуль с ДС, ниже пл. СМ ст. - стационарные планарные солнечные модули, СЭСК ст. - стационарная СЭС с концентратором, СЭСК сл. - следящая СЭС с концентратором, Стирл. сл. - солнечная установка с ДС и со слежением.

Наименование Единица 1вме|>ення Значение Выработка ».рг.«

Рабочая температура двигателя X 200 - 700

Модель двигателя УДС-1 (учебный двигатель Стнрлинга)

3,500 | 3.000 гзоо

Габаритные размеры мм 1050/850 -'ЧЦ, -

Количество концентраторов нгт 2 ГМ-Г-л-

Площадь миделя кошешриторов м2 0,78 1 1-300 1.000 0.500 --

Теплоноситель воздух, вода, масло

Расход теплоноаггеля (вода) кг/мин 0(возд.охл.)-0,5 0. о ого 0.40 0.60 оло нкнь сентябрь декабрь 1.00 1.И

Температура теплоносите ля (вала) на выходе 35-40

Рис. 18. Характеристики солнечного модуля с концентратором параболоидного типа и ДС (слева) и расчётные зависимости вырабатываемой электроэнергии установок с концентратором с ДС и солнечными модулями с концентраторами и без них Модуль с ДС в качестве преобразователя СЭ в электрическую эффективнее в 1,5-2 раза, чем применение СЭС с фотоэлектрическими СМ с ССС и в 2,5-3 раза эффективнее СМ, установленных стационарно. Также установка с ДС является когенерационной, т. е. к электрической составляющей выработки прибавляется ещё и тепловая составляющая.

В четвёртой главе "Перспективные области применения и технико-экономическое обоснование использования солнечных теплофотоэлекгрических модулей с концентраторами параболоидного типа" предложены три области использования солнечной теплофотоэлектрической станции и рассчитана её окупаемость. При использовании предложенного типа модуля в Краснодарском крае ежегодная выработка электроэнергии

одним модулем составит \\/ап = 49 кВт-ч/год, а тепловой Мпя, = 586 кВтч/год. Для электроснабжения 3-х соседних сельских домов с избытком хватит энергии, производимой двумя теплофотоэлектрическими станциями, состоящими из 56 модулей. Для отгонного животноводства овец с размером отары из 600 голов необходимо применение установки с 14 модулями и производящей в среднем 700 кВт-ч/год электроэнергии и 8200 кВтч/год тепловой энергии. Для теплоэлектроснабжения БГУ с объёмом реактора 10 необходимы две установки по 28 теплофотоэлекгрических модулей каждая. Для установки они закрепляются на общей раме с ССС.

Параметр Значение

Тип концентратора Параоолопдкый

Электрическая мощность (при Е = $20 BrN^l Вт 1SJ>

КПД СМ без концешрагор& % 9J>

Напряжение холостого хода. В 15.4

Номинальное напряжение постоянного тока. В 12

Площадь фотоэлектрических элементов, м2 0.0224

Средняя концентрация с/а на фотоэлектрической части триёмннка. крат 7Д

Средняя концетрацня си на тепловой часта приёмника, крат 23

Тип солнечных модулей Матричные

Габаритные размеры радиатора солнечного приёмника, м 0,11х ОД 1x0,12

Электрический Kl 1Д. т\а 0,123

Тепловой КПД, ibc 0.5

(Этический КПД 0.65

Теплоноситель Вода

Расход теплоносителя, л/мин 0.5

Температ\ра теплоносителя на входе, "С 20

Температура теплоносителя на выходе. ' С 40

Плошадь >шела концентратора для ф'э часта грнёлшнка. м: 0J2S

Площадь миделя концентратора для тепловой част приёмника. \г 0.5

Габаритные размеры составного концентратора, м 0.54 х 1.05 х 1.05

Масса модуля, кг 2.5

Стоимость модуля, т. руб. 3,5

Рис. 19. Технические характеристики теппофотоэлектрического модуля (слева); поля модулей (в виде сот) на одной раме ССС и отдельно теплофотоэлектрический и фотоэлектрический модули (справа)

Ориентировочная стоимость теплофотоэлектрического модуля с площадью концентратора 0,785 м2 составляет 3540 руб (рис. 19 слева), а фотоэлектрического модуля без догревающего концентратора с площадью 0,28 м~ (рис. 19 справа) - 2024 руб. После расчётов различных конструкций установок (рис. 20 слева), стоимость электрической и тепловой мощности с учётом стоимости ССС наименьшая у установки с одним большим концентратором размером с систему слежения (20 м2) и теплофотоэлектрическим приёмником - 116,5 руб (3,9 $)/Вт и 10,4 руб (0,35 $)/Вт соответственно. Если тепловая энергия не является необходимой для потребителя, то выгоднее использовать только фотоэлектрическую часть, тогда стоимость электрической мощности с учётом стоимости ССС составит 90,7 руб (3 $)/Вт и без её учёта - 39,9 руб ( ] ,3 $)/Вт.

При использовании концентраторного теплофотоэлектрического солнечного модуля следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния с большой степенью чистоты; наряду с электроэнергией потребитель получает и тепловую энергию; учитывается влияние косинусного эффекта, которому подвержены установки, не оснащённые ССС; при промышленном изготовлении разработанных модулей с использованием МСМ с КПД более 15 % стоимость установленной электрической мощности будет меньше стоимости установленной мощности модулей с планарными фотоэлектрическими элементами.

Рассчитан экономический эффект от применения установки для получения тёплой воды и электричества вместо дублирующих источников энергии таких как газ, дизельное топливо и электроэнергия. Расчёты проводились для жилого сельского дома, в котором проживает семья из четырёх человек в Краснодарском крае. При наличии у потребителя природного газа

экономичнее использовать его для нагрева воды, чем солнечную установку. Однако при использовании дизельного топлива и особенно электроэнергии для нагрева воды целесообразность использования солнечной установки очевидна. Солнечная установка, состоящая из пяти теплофотоэлектрических модулей, окупится после 4-х лет использования при 50%-ом замещении тепло- и электроэнергии от электричества и через 8 лет при 50%-ом замещении тепло- и электроэнергии от дизельного топлива (рис. 20 справа).

;Большой концентратор с фотоэлектр^еским приёмником

>й концентратор с тепго фото электрическим приёмником

78 фотоэлектрических модулей

ЕУХ.9

□ Стоимость те пл. иои^юсти бе s учбта ССС

□ Стойкость те пл. иои^остх с учетом ССС ■ Стоимость эл. мои^юсти без учета ССС В Стоимость эл. мощности с учбтом ССС

28 тепло фото электр веских модулей ^--?.S|6 4 J___

т с тепло фото эле ктркиеским приём

IX ясточнимх »и«ргя* [тепла к

Рис. 20. Стоимость модулей и их установленной мощности (слева) и сроки окупаемости солнечной установки при дизельном топливе и электричестве в качестве дублирующих источников для получения тепло- и электроэнергии (справа)

Годовая экономия дизельного топлива при использовании теплофотоэлектрической установки с 28 модулями составит около 23000 руб, а тепловой энергии от сжигания пеллет -75000 руб. Еще одним достоинством солнечной установки является отсутствие негативного воздействия на окружающую среду, связанного с выбросами парниковых газов и отсутствие шума.

Основные выводы

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Обосновано эффективное использование концентраторов параболоидного типа совместно с матричными солнечными модулями. Предложенная методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа обеспечивает необходимое распределение концентрированного излучения на поверхности фотоприёмника, состоящего из:

- теплофотоэлектрического приёмника с достаточно равномерным распределением освещённости на фотоэлектрической и тепловой частях приёмника;

- горячего цилиндра двигателя Стерлинга, что обеспечивает распределение освещенности в наиболее его эффективной части и повышение температуры рабочего тела;

Создана методика и проведён расчёт тепловых параметров радиатора фотоэлектрического приёмника в программной среде /\nsys. Полученные результаты позволяют оптимизировать параметры конструкции теплофотоэлектрического модуля и самого фотоприёмника.

2. Разработанная технология изготовления концентратора параболоидного типа позволяет изготавливать фацеты концентратора с помощью созданного алгоритма. Из рассчитанных фацет изготовлены три концентратора параболоидного типа с различными распределениями освещённости в фокальной области.

3. Метод микродугового оксидирования хорошо зарекомендовал себя в качестве способа качественной организации теплоогвода от фотоэлектрических элементов. Разработан водяной радиатор фотоэлектрического приёмника с теплопроводящим и электроизоляционным слоем, полученным благодаря применению метода микродугового оксидирования.

4. На основании проведённых натурных исследований по разработанной методике солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа при различных условиях освещения и охлаждения показано, что КПД модуля при работе с концентратором и матричными фотоэлектрическими преобразователями без учета оптических потерь увеличивается с 9,5 % до 12,3 %. С учетом г| от = 0,65 КПД = 7,4 %, а при г| опг = 0,8 КПД модуля повышается до 9,9 %. Средняя концентрация освещённости по боковой поверхности фотоприёмника составила около 7 крат, по торцевой - 20 - 25 крат. При расходах воды 0,5 -1,5 л/мин температура воды на выходе составила 38 - 42 °С. В зависимости от расхода возможно регулирование температуры воды на выходе.

5. Применение разработанных концентраторов параболоидного типа в сравнении с параболоидными концентраторами производства ОАО АлМет снижает начальную температуру работы двигателя Стерлинга в два раза (с 400 °С до 200 °С), что говорит о более равномерном прогреве рабочего тела двигателя. Возможно получение воды на выходе с температурой 40 °С и более в зависимости от расхода теплоносителя. Модуль с двигателем Сгирлинга с КПД 30 % в качестве преобразователя эффективнее в 1,5-2 раза, чем применение солнечных модулей с фотоэлектрическими преобразователями с КПД 15 %, работающими с системой слежения за Солнцем и в 2,5-3 раза эффективнее солнечного модуля, работающего стационарно.

6. Для электроснабжения 3-х соседних сельских домов предложено использовать две теплофотоэлектрические станции, состоящие из 56 модулей. Для отгонного животноводства с размером отары овец 600 голов необходимо применение установки с 14 модулями. Для теплоэлектроснабжения биогазовой установки с объёмом реактора 10 м3 необходимы две установки по 28 теплофотоэлектрических модулей каждая.

7. Ориентировочная стоимость солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентратором (0,785 м2) составляет 3540 руб, а модуля без догревающего концентратора (0,28 м2) - 2024 руб. Стоимость электрической и тепловой мощности с учётом стоимости системы слежения за Солнцем наименьшая у установки с одним большим концентратором размером с систему слежения (20 м2) и теплофотоэлектрическим приёмником -116,5 руб (3,9 $)/Вт и 10,4 руб (0,35 $)/Вт соответственно. При использовании только фотоэлектрической части стоимость электрической мощности с учётом стоимости системы слежения за Солнцем составит 90,7 руб (3 $)/Вт и без её учёта - 39,9 руб (1,3 $)/Вт. Солнечная установка, состоящая из пяти теплофотоэлектрических модулей, окупится после 4-х лет использования при 50%-ом замещении тепло- и электроэнергии от электричества и через 8 лет при 50%-ом замещении тепло- и электроэнергии от дизельного топлива.

При использовании концентраторного теплофотоэлектрического солнечного модуля следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния солнечного качества; наряду с электроэнергией потребитель получает и тепловую энергию; повышение выработки электроэнергии за счёт использования системы слежения за Солнцем; при промышленном изготовлении разработанных модулей с использованием матричных солнечных модулей с КПД более 15 % стоимость установленной электрической мощности меньше стоимости мощности планарных солнечных модулей.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. СтребковДС., Майоров В. А., Панченко В А Исследование концентраторной установки с матричными солнечными элементами //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2012, №2, С. 14-16.

2. СтребковД.С., Майоров В. А., Панченко В.А. Солнечный фотоэлектрический модуль с парабалоторическим концентратором //Энергобезопаность и энергосбережение, 2012 N°5 С. 15-17.

3. Майоров В.А., Панчето В. А Исследование тепловых режимов работы двигателя Стирлинга с парабапоидным концентраторам солнечного излучения //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2013, №1, С. 28-29.

4. Майоров В.А., Панченко ВА Солнечная установка с парабалоторическим концентратором и двигателем Стирлинга //Техника в сельском хозяйстве, 2013,№1, С. 14-16.

5. СтребковД.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболотортеским концентратором //Альтернативная энергетика и экология, 2013, №1/2, С. 35-39.

6. Майоров ВА., Панченко ВА. Исследование характеристик солнечного концентратора в установке с двигателем Стирлинга//Энергетик, 2013, №2, С 40-42.

7. Гусаров В А, Харченко В.В., Майоров В А., Панченко В А Солнечная электростанция для параллельной работы//Альтернативная энергетика и экология, 2013, №2/1, С. 37-43.

8. СтребковД.С, Майоров В.А., Панченко ВА Осьмаков МИ, Плохих CA. Солнечная установка с матричными фотоэлементами и концентраторам //Электро, 2013, №2, С. 50-52.

9. СтребковДС., Майоров ВА, Панченко В.А. Солнечный модуль с параболоторичеааш концентратором и фотоэлектрическим приёмником //Энергетик, 2013, №5, С. 42-44.

10. Майоров В А, Панченко ВА Теплофотоэлектрический модуль с концентратором солнечного излучения Решение о выдаче патента по заявке № 2012145498/06 от 26.10.2012.

11. Панченко В А. Исследование беспоршневых тепловых двигателей для АПК // Труды 7-й Международной научно-технической конференции, 18-19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2010, Часть 1, С. 400-406.

12. Панченко ВА. Термодинамическое преобразование возобновляемой энергии посредством двигателя Стирлинга// Альтернативный киловатт, 2010,№5, С. 20-30.

13. Панченко В. А. Турбина Тесла. Возможности и перспективы её применения И Альтернативный киловатт, 2010, № 6, С. 46-48.

14. Панченко В А Применение различных рабочих тел в двигателе Стирлинга // Альтернативный киловатт, 2011, № 1, С. 40-42.

15. Панченко В .А., Майоров В А. Изготовление и исследование составного параболоторического концентратора солнечного излучения для различных преобразователей солнечной энергии // Труды 8-й Международной нучно-технической конференции, 17-18 мая 2012 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2012, Часть 4, С. 89-94.

16. Майоров В А, Панченко В А. Исследование параболоторического концентратора в установке с солнечными элементами // Материалы восьмой всероссийской научной молодёжной школы с международным участием (20-23.11.2012, Москва, МГУ). Возобновляемые источники энергии, 2012. С. 284-289.

Подписано в печать: 29.05.2013

Заказ № 8571 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

(РАСХН)

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(ГНУ ВИЭСХ)

На правах рукописи

04201358771

ПАНЧЕНКО ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА

Специальность 05.14.08 - энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, академик Россельхозакадемии Стребков Дмитрий Семёнович

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С КОНЦЕНТРАТОРАМИ....................................................14

1.1 Солнечные энергетические установки......................................................................................14

1.2 Обзор концентраторов солнечной энергии..............................................................................15

1.2.1 Отражающие концентраторы..................................................................................................16

1.2.2 Фацетные концентраторы........................................................................................................16

1.2.3 Параболоидные концентраторы..............................................................................................18

1.2.3.1 Методы изготовления параболоидных концентраторов..................................................20

1.2.3.2 Электростанции на основе параболоидных концентраторов...........................................22

1.3 Термодинамические преобразователи солнечной энергии.....................................................30

1.4 Системы охлаждения фотоприёмников...:................................................................................34

1.5 Системы слежения за Солнцем.................................................................................................36

Выводы по главе 1................................................................................................................................39

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА И РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ПРИЁМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ...........................................................................................................41

2.1 Методика расчёта профиля концентратора параболоидного типа с различными типами приёмников солнечного излучения....................................................................................................41

2.1.1 "Теплофотоэлектрический приёмник в составе когенерационного модуля........................41

2.1.2 Приёмник - двигатель Стерлинга..........................................................................................48

2.1.3 Фотоэлектрический приёмник, совмещённый с концентратором-радиатором.................51

2.2 Методика расчёта теплового режима теплофотоэлектрического приёмника когенерационной установки................................................................................................................54

2.2.1 Аналитический тепловой расчёт фотоприёмника.................................................................54

2.2.2 Методика теплового расчёта фотоприёмника в программной среде Ашув.......................57

2.2.3 Расчёт тепловых режимов радиаторов фотоприёмника при различных конструктивных

параметрах.............................................................................................................................................58

Выводы по главе 2................................................................................................................................62

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА....................64

3.1 Разработка технологии изготовления концентратора параболоидного типа........................64

3.2 Изготовление радиатора фотоэлектрического приёмника.....................................................69

3.3 Исследование теплофотоэлектрического солнечного модуля с концентратором параболоидного типа............................................................................................................................75

3.3.1 Обобщённые характеристики планарных и матричных солнечных модулей при различных условиях освещения..........................................................................................................77

3.3.2 Исследование распределения освещённости по поверхности теплофотоэлектрического приёмника.............................................................................................................................................83

3.3.3 Исследование тепловых характеристик работы теплофотоэлектрического модуля.........84

3.4 Исследование солнечного модуля с двигателем Стерлинга и различными концентраторами солнечного излучения...........................................................................................86

3.4.1 Исследование теплового режима работы двигателя Стерлинга с воздушным и водяным охлаждениями совместно с параболоидным концентратором производства ОАО АлМет..........86

3.4.2 Исследование тепловых режимов работы двигателя Стерлинга с концентраторами параболоидного типа и водяным охлаждением в натурных условиях...........................................89

3.5 Сравнение выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными

преобразователями солнечной энергии..............................................................................................95

Выводы по главе 3................................................................................................................................96

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА...................................................................................................................................................98

4.1 Исследование областей применения солнечных энергетических установок комбинированного типа.......................................................................................................................98

4.2 Технико-экономическое обоснование использования теплофотоэлектрических модулей для энергоснабжения автономных потребителей...........................................................................101

4.2.1 Оценка стоимостных характеристик теплофотоэлектрического модуля.........................101

4.2.2 Оценка стоимости установки (поле модулей в виде сот) из теплофотоэлектрических модулей на раме со следящей системой за Солнцем......................................................................103

4.2.3 Оценка стоимости установки (поле модулей в виде сот) из фотоэлектрических модулей на раме со следящей системой за Солнцем.....................................................................................105

4.2.4 Оценка стоимости установки с большим концентратором, площадь которого равна площади рамы следящей системы (20 м2)........................................................................................106

4.2.5 Оценка стоимости установки с концентратором для фотоэлектрической части приёмника...........................................................................................................................................107

4.2.6 Влияние концентраторов на формирование стоимости солнечной фотоэлектрической установки.............................................................................................................................................109

4.3 Энергетическая окупаемость установки.................................................................................110

4.4 Оценка экономического эффекта от применения установки с концентратором................111

4.5 Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с

концентраторами................................................................................................................................119

Выводы по главе 4..............................................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ А Методика и алгоритм теплового расчёта фотоприёмника в программной

среде Ansys и тепловые режимы радиаторов, рассчитанные с её помощью................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Методика натурных испытаний солнечного модуля с цилиндрическим

фотоприёмником и концентраторами параболоидного типа.........................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ В Протокол натурных испытаний теплофотоэлектрического солнечного модуля с составным концентратором параболоидного типа и фотоэлементами, установленными

на цилиндрическом радиаторе с водяным охлаждением...............................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты о внедрениях и патент..........................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

В основе практически всех видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) лежит энергия излучения Солнца. Количество солнечной энергии (СЭ), поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана [1,2]. "Ясно, что проблема энергии как ресурса - не в её общем возможном количестве, а скорее, в количествах, получаемых из источников, которые мы предпочитаем и в состоянии использовать в настоящее время в виде сложившихся традиций и отработанных технологий" [3]. Солнечная энергия - экологически чистый возобновляемый источник энергии, роль которого в современном мире легко оценить. Ещё Циолковским К.Э. подмечено: "Только наше невежество заставляет пользоваться ископаемым топливом" [4]. Большая часть производимой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ, сопровождается не только химическим загрязнением окружающей среды и истощением природных ресурсов, но и приводит к "тепловому загрязнению Земли".

Существенная часть территории России является малозаселённой, а передача электроэнергии по ЛЭП в такие районы является нерентабельной, поэтому около 70% территории страны не имеет централизованного электроснабжения [5]. Для таких регионов (Крайний Север, восточные регионы и горная местность) использование собственных источников энергии является особо актуальным. К таким источникам относятся возобновляемые источники энергии [6 - 8]. Согласно прогнозам [9], Земля сможет обеспечивать нас нефтью и газом 50 - 75 лет и углём 400 - 500 лет. Авария же на атомной электростанции Фукусима в Японии поставила вопрос об экологических проблемах атомной энергетики, к тому же запасов топлива для атомной энергии хватит на сто лет [10]. Использование атомных станций связано также с проблемой переработки и захоронения радиационных отходов. К серьёзным экологическим нарушениям приводит перекрытие рек плотинами гидроэлектростанций, а также использование огромных территорий суши под водохранилища. Все эти предпосылки приводят к необходимости пересмотреть перспективы развития энергетики в ближайшем будущем.

В России отмечается рост внимания к ВИЭ, о чём свидетельствуют подписанные указ Президента РФ "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики" [11] и распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 "Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года" [12]. Планируется увеличить долю ВИЭ (кроме ГЭС мощностью свыше 25 МВт) до 2,5% к 2015-му и до 4,5% к 2020-му годам.

Лидерами по производству солнечного электричества, являются Испания, Германия и США. В России же пока реализуются локальные, небольшие проекты. Большинство фотоэлектрических систем и солнечных водонагревательных установок расположены в Краснодарском крае. Такие системы есть в Бурятии и Ростовской области. Несмотря на утверждения о том, что в странах, лежащих севернее 45 ° с. ш. солнечная установка не окупается в течение 30 лет, Германия, находящаяся на широте 45 ° - 55 является одним из мировых лидеров в области солнечной энергетики. Краснодарский край же и большая часть Южной Сибири (рисунок В.1 [13]) по инсоляции (4,0 - 4,5 кВт ч/м2 в день) сравнимы с югом Франции и центральной частью Италии, где солнечная энергетика очень широко развивается. Наиболее выгодно применение солнечных установок в южных и юго-восточных регионах России.

гоэо<о 5сботовсео!ос но5 чо 1 за чс 1ю 1го 1«

С Е В Е Р н ы й л ь; ДО В II т ы й о к к л и

Рисунок В.1 - Карта инсоляции России

В современном мире происходит постепенное уменьшение стоимости преобразования СЭ. Это связано прежде всего со снижением затрат на производство и увеличением его объёмов, а также повышением эффективности работы самих солнечных энергоустановок.

Актуальность темы.

Преобразование СЭ в теплоту и электричество является актуальным, прежде всего для автономных потребителей [14,15]. Экономически же обоснованным является строительство станции для энергоснабжения потребителей, удалённых от электрических сетей более чем на 50 км [16].

Одним из методов преобразования СЭ в электрическую является метод прямого преобразования с помощью планарных и матричных солнечных модулей (ПСМ и МСМ). В

солнечной энергетике, при использовании ПСМ и МСМ, выделяются два направления -фотоэлектрическое преобразование неконцентрированного и концентрированного солнечного излучения (СИ), которые являются перспективными для создания солнечных станций [17,18]. Созданы фотоэлектрические модули с КПД 28 %, в том числе каскадные гетероструктуры на основе арсенида галлия с КПД до 42 % [19, 20].

Существует два направления снижения стоимости солнечных фотоэлектрических станций: улучшение технико-экономических характеристик ПСМ и создание станций с концентраторами [17, 19 - 24]. Применение концентраторов позволяет уменьшить количество полупроводникового материала, а использование их совместно с системой слежения за Солнцем является одним из способов повышения эффективности установок. Основными особенностями МСМ, разработанных в ГНУ ВИЭСХ, является возможность их использования при высоких концентрациях СИ, при котором наблюдается и увеличение КПД. При использовании подобных систем возможно создание комбинированной установки для производства электричества и тепла.

В развитие отечественной и мировой гелиотехники и фотоэлектрического преобразования СЭ внесли большой вклад такие учёные, как Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Апариси В.А., Арбузов Ю.Д., Баранов В.К., Баум В.А., Вавилов B.C., Васильев A.M., Вершинин B.C., Вейнберг В.Б., Виссарионов В.И., Грилихес В.А., Евдокимов В.М., Заддэ В.В., Захидов P.A., Каган М.Б., Колтун М.М., Кондратьев К.Я., Ландау Л.Д., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С., Майоров В.А., Персиц И.С., Пивоварова З.И., Полисан A.A., Потапов В.Н., Рябиков C.B., Селиванов Н.П., Стребков Д.С., Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Трушевский С.Н., Тюхов И.И., Унишков В.Л., Харченко В.В., а также такие зарубежные учёные, как Бекман У., Даффи Дж., Антонио Луки, Клейн С., Колларес - Перейра М., Лю Б., Джордан Р., Холландс К., Уинстон Р., Сэтер Б., Шокли В. и ряд других выдающихся учёных.

В современном мире, основываясь на материалах конференций и симпозиумов в области солнечной энергетики, видна тенденция развития и глубоких исследований солнечных установок на основе планарных солнечных модулей, способных одновременно производить тепловую и электроэнергию. Одновременно с этим исследуются, и уже работают много лет солнечные теплофотоэлектрические установки с концентраторами различных типов. Исходя из этого, появилась потребность в создании теплофотоэлектрической солнечной установки с концентратором параболоидного типа для электротеплоснабжения.

Целью работы является разработка, изготовление и испытание в натурных условиях солнечного теплофотоэлектрического модуля с концентраторами параболоидного типа и различными приёмниками солнечного излучения.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Рассмотрение состояния современного использования концентрированного солнечного излучения в солнечных энергетических установках с различными типами фотоприёмников;

2. Создание методики расчёта и проведение расчёта профилей концентраторов параболоидного типа для солнечных модулей с необходимым распределением освещённости по поверхности различных фотоприёмников.

3. Разработка технологии и способа изготовления концентратора солнечного излучения параболоидного типа с необходимым распределением освещённости в фокальной области, а также расчёт геометрии фацет этих концентраторов и предложение технологии их изготовления; на основании расчётных данных изготовление и исследование экспериментальных модулей с составными концентраторами параболоидного типа с теплофотоэлектрическим приёмником и тепловым приёмником в виде двигателя Стерлинга;

4. Создание алгоритма и методики расчёта теплового режима работы водяного радиатора матричных солнечных модулей в программном комплексе Ашуэ и моделирования тепловых режимов работы фотоприёмника когенерационного солнечного модуля; обеспечение нанесения тонкого теплопроводного слоя диэлектрика (изолятора) между радиатором и матричными солнечными модулями;

5. Разработка методики проведения испытаний солнечных модулей с концентраторами параболоидного типа и цилиндрическими теплофотоэлектрическими приёмниками в натурных условиях; исследование экспериментальных вольт-амперных характеристик матричных солнечных модулей и планарных солнечных модулей при концентрированном солнечном излучении с воздушным и водяным охлаждениями, исследование экспериментальных тепловых характеристик солнечного теплофотоэлектрического модуля и солнечного модуля с двигателем Стерлинга; сравнительный анализ выработки электроэнергии солнечными электростанциями с различными преобразователями солнечной энергии;

6. Предложе�