Документ 2735357

3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационной работы.
Одной из характерных особенностей современного этапа развития
человечества является быстрый рост энергопотребления. Электроэнергия
представляет собой наиболее совершенный вид энергии, легко доставляемый
потребителю и преобразуемый в другие виды энергии. Выработка электроэнергии
традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных
электростанциях сопровождается химическим и радиационным загрязнением
окружающей среды. При этом возникает также проблема «теплового загрязнения»
Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для
предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка
энергии не должна превышать —1 % от всей энергии, приходящей на Землю от
Солнца.
Наиболее привлекательным является удовлетворение возрастающих
энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников
энергии, в первую очередь за счет целенаправленного использования и
преобразования энергии Солнца.
Солнечное излучение представляет собой практически неисчерпаемый
источник энергии. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного
тела, нагретого до температуры ~5800 К, что намного превышает температуру
окружающей среды, при которой это излучение используется (~300 К). Последнее
означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечного
излучения может быть близок к 100 %. Таким образом, солнечное излучение
является экологически чистым, доступным источником энергии, обладающим
высоким энергетическим потенциалом.
Существенным недостатком солнечного излучения как источника энергии
является его низкая плотность. Для выработки заметной электрической мощности,
необходимо собирать солнечное излучение с больших площадей, покрывая их
дорогими полупроводниковыми солнечными элементами. Стоимость получаемой
таким
образом
электроэнергии
значительно
превосходит
стоимость
электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами. Именно это является
основной причиной, сдерживающей развитие крупномасштабной солнечной
электроэнергетики.
Одним из возможных путей снижения стоимости фотоэлектрической
генерации является преобразование концентрированного солнечного излучения. В
этом случае требуемая площадь солнечных элементов, а, следовательно, и их
стоимость могут быть снижены пропорционально кратности концентрирования
солнечного излучения дешевыми голографическими концентраторами.
На
пути
практической
реализации
метода
преобразования
концентрированного солнечного излучения также возникает ряд проблем. Вопервых, при повышении мощности солнечного излучения пропорционально
увеличивается плотность генерируемого в СЭ фототока, что требует оптимизации
конструкции СЭ для уменьшения омических потерь. Во-вторых, увеличивается
тепловая нагрузка на СЭ, что требует создания эффективной системы
теплоотведения. В-третьих, необходима разработка высокоэффективных и
дешевых концентраторов излучения. В-четвертых, для большинства известных
4
концентрирующих фотоэлектрических установок необходимо точное наведение и
слежение установок за положением Солнца, что усложняет конструкцию и
эксплуатацию СФЭУ.
Отмеченные особенности делают актуальной разработку преломляющей
фотоэлектрической установки на основе голографического концентратора,
создание которой решает вышеперечисленные проблемы использования
концентрированного солнечного излучения.
Цель диссертационной работы:
- разработка, исследование и оптимизация энергетических характеристик
солнечных фотоэлектрических батарей на основе голографических
концентраторов (СФЭУГК).
Основные задачи исследований.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и
решены следующие задачи:
1.
Разработать и рассчитать конструкцию СФЭУГК, работоспособную в
географических и климатических условиях всей территории России.
2.
Создать математическую модель работы СФЭУГК и разработать на её
основе методику определения энергетических параметров работы установки для
заданных внешних условий.
3.
Разработать методику и провести вычислительное моделирование
работы СФЭУГК в реальных условиях работы, в целях определения техникоэкономической эффективности применения данного типа фотоэлектрических
установок.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1.
Предложена методика разработки и создания голографических
концентраторов и фотоэлектрических модулей на их основе.
2.
Разработаны модели функционирования СФЭУГК и на их основе
исследованы технологические и электрофизические параметры солнечных модулей
с голографическими концентраторами.
3.
Определена энергетическая и экономическая эффективность
применения СФЭУГК на примере конкретного потребителя.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту автором выносятся следующие положения:
1.
Методика расчета конструкции СФЭУГК.
2.
Результаты моделирования работы СФЭУГК, с учетом спектральных
характеристик отдельных элементов установки, а также температурного режима
работы фотоэлемента при заданных внешних параметрах.
3.
Методика расчета энергетических показателей работы СФЭУГК в
реальных условиях работы.
Достоверность полученных результатов исследований, теоретических и
методических обоснований, выводов и
рекомендаций
подтверждается
5
использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных методов
различных научных дисциплин, корректным применением математического
аппарата, а также совпадением полученных результатов моделирования и
оптимизации с известными практическими решениями и оценками.
Личный вклад автора заключается в следующем:
- проведен анализ работы известных установок, преобразующих
концентрированное солнечное излучение в электрическую энергию и на основании
проведенного анализа предложена конструкция фотоэлектрической установки с
голографическим концентратором;
рассчитана
структура
голограммного
оптического
элемента,
предназначенного для работы в составе СФЭУГК;
разработаны
методики, позволяющие определить
основные
энергетические параметры работы СФЭУГК;
- проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены их
результаты, сформулированы выводы и предложения;
.
Практическая ценность работы
состоит в том, что в результате
проведенных исследований появился задел для возможности изготовления,
фотоэлектрических установок с голографическими концентраторами солнечной
энергии, отличающихся от известных солнечных фотоэлектрических установок
более низкой стоимостью пиковой мощности, а также, в отличие от большинства
концентрирующих
солнечных
установок,
возможностью
вырабатывать
электроэнергию без слежения за положением Солнца. Также в результате
проведенных исследований появились модели определения параметров работы
СФЭУГК.
Апробация работы.
Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на
Всероссийских и международных конференциях: Восемнадцатая международная
научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,
электротехника и энергетика», Двадцатая международная научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика», Четвертая
международная научно-практическая конференция
«Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на
знаниях», Пятая международная научно-практическая конференция «Научнотехническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях»,
Вторая всероссийская научно – практическая конференция «Повышение
надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и
энергетических систем», Третья всероссийская молодежная конференция
«Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение
в современных
архитектурных, конструктивных, технологических решениях
и инженерных
системах зданий и сооружений, а также на других международных конференциях.
6
Публикации
По основным результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в
том числе 1 в рекомендованном ВАК России издании и 1 патент на полезную
модель.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
литературы, 1 приложения.
Объем работы составляет 135 страниц, включая 4 страницы приложений,
содержит 76 иллюстраций и 8 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Настоящая
работа
посвящена
решению
проблемы
создания
фотоэлектрической установки, с концентрирующей системой, которая сможет
стабильно работать при отсутствии слежения за положением Солнца.
Концентрирующую систему предлагается построить на голографических
структурах с реализацией явления полного внутреннего отражения. В работе
рассматриваются вопросы разработки конструкции и моделирования работы
солнечной фотоэлектрической установки на основе голографического
концентратора. Основное внимание уделяется учету спектральных характеристик
составных элементов установки, а также влиянию различных факторов на
энергетические параметры работы установки.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы
цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана оценка
новизны и практической значимости полученных результатов.
Первая
глава
посвящена
состоянию
вопроса
использования
концентрированного солнечного излучения.
Солнечная энергетика — направление возобновляемой энергетики, основанное
на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии
в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник
энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных
отходов, если не говорить о производстве фотоэлектрических модулей.
Неисчерпаемость этого вида энергии может рассматриваться потенциально как
энергоресурс, способный перевернуть современные представления об
энергообеспечении и полностью удовлетворить потребности человечества. По
некоторым оценкам, к 2100 году Солнце станет доминирующим источником
энергии на планете. Во многих странах солнечная энергетика получила активную
государственную поддержку и стремительно развивается.
Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрический метод
преобразования является на сегодняшний день, наиболее подготовленным для
широкого использования. Его применение сдерживается относительно высокой
стоимостью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), но она падает: с
€3-4 в 2008г, до €1,5-2,5 в 2013г.
Одним из возможных путей снижения стоимости СФЭУ является
использование концентрированного солнечного излучения. Концентрация
7
солнечного излучения позволяет снизить расход дорогих полупроводниковых
фотоэлектрических преобразователей для изготовления СФЭУ, пропорционально
кратности концентрации излучения.
Основными типами концентрирующих СФЭУ являются установки на основе
гелиостатов, установки на основе линз Френеля, установки на основе
стационарных концентраторов (фоклины, фоконы и призмаконы), а также
установки на основе голографических концентраторов.
Недостатками СФЭУ на основе гелиостатов и линз, является необходимость
постоянного механического слежения за положением Солнца и невозможность их
работы при отсутствии прямого солнечного излучения. СФЭУ на основе фоклинов
и фоконов лишены недостатка необходимости постоянного механического
слежения за положением Солнца, однако они имеют достаточно узкую зону работы
в зависимости от углов падения солнечного излучения. Установки на основе
голографических концентраторов лишены вышеперечисленных недостатков.
Наиболее известной установкой на основе голографического концентратора
является продукт американской компании «Prism Solar Technologies»
Проведенный обзор и анализ позволил предложить конструкцию СФЭУ на
основе голографического концентратора, представленную на рисунке 1, где 1кварцевое стекло, 2- голографическая структура, 3-фотоэлементы, 4-радиатор
охлаждения.
Рисунок 1- Конструкция предлагаемой фотоэлектрической установки.
В отличие от аналогичной установки, производства фирмы «Prism Solar
Technologies», в разрабатываемой СФЭУГК солнечные элементы предлагается
размещать в торцевой части фотоэлектрической установки, это позволит повысить
концентрацию солнечного излучения на фотоэлементе, за счет возможности
осуществления более эффективного теплоотведения, а также позволит более
равномерно освещать фотоэлементы.
Вторая глава посвящена разработке и расчету основных параметров
голограммных оптических элементов, для применения в разрабатываемой
установке.
Голограммный оптический элемент (ГОЭ) производится путем записи
определенного типа голограммы в объемном фоточувствительном материале.
Пучок, падающий на такой голограммный элемент, дифрагирует благодаря
модуляции показателя преломления внутри проявленных фоточувствительных
слоев.
Наиболее подходящей реализацией ГОЭ для СФЭУ является
многоуровневая дифракционная решетка, т.к. голограммные микрооптические
элементы, выполненные по принципу линз и т.п. и обладающие оптической силой
8
вносят существенные аберрации и искажают передаваемое посредством системы
изображение.
Основную задачу разработки ГОЭ можно сформулировать следующим
образом : ГОЭ не должны вносить искажений в ход лучей в пластине и на выходе
из нее, а просто перенаправлять их, подчиняясь определенному закону,
одинаковому для всех направлений хода лучей, т.е. должны обеспечивать
эквивалентность вышедшего излучения вошедшему, а также обеспечивать
получение равнояркого по всему полю и в пределах области выходного зрачка, т.е.
помимо переменной дифракционной эффективности в данном типе ГОЭ должна
отсутствовать селективность в пределах конуса углов, формируемого
проекционной системой. Этим требованиям отвечают рельефно-фазовые
дифракционные решетки, селективность и оптическая сила у которых отсутствует,
а формула работы решетки как раз обеспечит эквивалентность хода излучения, т.к.
угол вышедшего пучка будет определяться исключительно углом распространения
излучения в подложке.
Решение задачи расчета ГОЭ возможно итерационным методом, с учетом
нескольких критериев оптимизации и с учетом технологических ограничений,
накладываемых на возможность изготовления ГОЭ.
Для расчёта фазовой функции пропускания голограммного оптического
элемента воспользуемся известным алгоритмом уменьшения ошибки (алгоритмом
Герчберга-Секстона), в котором решение синтеза оптических элементов является
квазиоптимальным, так как оно достигается за счет локального минимума
функционала-критерия или целевой функции. В качестве такой функции
используется среднеквадратическое отклонение заданной амплитуды светового
поля в некоторой плоскости пространства от рассчитанной. Иногда вместо
амплитуд сравниваются интенсивности, а вместо среднеквадратического критерия
выбираются критерии более высокого порядка.
Функция пропускания фазового ГОЭ выбирается в виде
T (u, v ) = e
ig ( u , v )
(1)
где g ( u , v ) - искомая фаза ГОЭ.
Решив нелинейное интегральное уравнение относительно искомой фазы
ГОЭ, получим фазовые функции, представленные на рисунке 2. Слевааппроксимирующая квазисинусоидальная фазовая функция, справа- исходная кусочнонепрерывная.
Рисунок 2. Фазовые функции ГОЭ.
На основе построения семейства спектров амплитуды на выходе ГОЭ для
значений частот падающего излучения по всей длине спектра солнечного
9
излучения с шагом 50 нм, получим итоговую спектральную характеристику
разрабатываемого голографического оптического элемента, представленную на
рисунке 3 в сравнении с известными аналогами.
1
КПД, ГОЭ
0,9
0,8
0,7
0,6
Разрабатываемая СФЭУ
0,5
СФЭУ типа Голокон
0,4
СФЭУ PST
0,3
0,2
0,1
lнм.
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Рисунок 3. Сравнительные графики спектральной эффективности различных
СФЭУ на основе голографических концентраторов.
Рабочим диапазоном голограммного элемента является диапазон частот от
225 нм до 1000 нм, с максимальной эффективностью, составляющую 95% в
диапазоне от 400нм до 850нм. Рабочими углами голографического концентратора
с максимальной эффективностью являются углы в диапазоне:
α =+90° …-20°
(2)
γ =-70°…+70°
(3)
где α- высотный угол Солнца, γ- азимутальный угол Солнца.
Описанные во второй главе результаты расчета ГОЭ, показывают
возможность создания высокоэффективных концентраторов солнечного излучения
на основе разработанных голографических элементов.
Третья глава посвящена разработке конструкции и моделированию работы
СФЭУГК. В ней проведены модели процессов хода лучей, процессов теплообмена,
процессов передачи энергии и предложена методика определения энергетических
параметров работы установки.
Схема, поясняющая работу предлагаемой СФЭУ на основе плоского
голографического концентратора, представлена на рисунке 4.
10
Рисунок 4. Принципиальная схема работы разрабатываемой СФЭУ на основе
плоского голографического концентратора (продольное сечение).
Рассмотрим
ход солнечных лучей
в предлагаемом голографическом
концентраторе. Для упрощения рассмотрим излучение от единичного источника
света, падающее под произвольным углом α по отношению к нормали
поверхности СФЭУ.
В характерной точке 1 на границе внешней среды и голографического слоя
происходит сложное
явление преломления излучения на дифракционных
решетках. Структура голографического слоя рассчитана так, что для любого
заданного угла α1… αn солнечное излучение длин волны, удовлетворяющих
спектральным характеристикам фотоэлемента преломляется так, что входит в
толщу оптически прозрачного слоя под углом меньше критического для явления
полного внутреннего отражения (β1), а излучение, не удовлетворяющее
спектральным характеристикам фотоэлемента, входит в толщу оптического слоя
под углом больше критического (β2) либо отражается. В характерной точке 2
происходит процесс селективного полного внутреннего отражения, происходящее
на границе двух сред с различной оптической плотностью n1 и n2 соответственно.
Характерная точка 4 является точкой попадания преломленного и
переотраженного излучения на лучиприемную поверхность фотоэлектрического
элемента, где происходят процессы фотоэлектрического преобразования
концентрированного солнечного излучения.
Расчетная схема теплообмена всей солнечной фотоэлектрической батареи с
голографическим концентратором представлена на рисунке 5.
Рисунок 5. Расчетная схема теплообмена СФЭУГК
11
Где Qси – тепловой поток солнечного излучения, поступающего на
лучиприемную поверхность СФЭУ, Qнс- тепловой поток от небосвода к
лучиприемной поверхности СФЭУ, Qзем- тепловой поток от поверхности земли,
Qстекл 2,3- тепловой поток от кварцевого стекла СФЭУ, Рфэ- электрическая
мощность фотоэлемента.
Уравнение теплового баланса фотоэлемента предлагаемой фотоэлектрической
установки имеет следующий вид:
Qконц+ Qстекл1 = Qфэвн+Qфэнар +Рфэ
(4)
Где Qконц- поток подводимый к фотоэлементу в результате лучистого
теплообмена концентрированного солнечного излучения, Qстекл1- тепловой поток,
подводимый в результате нагрева стекла к фотоэлементу и отводимый от
фотоэлемента через стекло, Qфэвн- теплообмен между, кварцевым стеклом и
фотоэлементом, Qфэнар- тепловой поток, отводимый от фотоэлемента в наружную
сторону СФЭУ через радиатор охлаждения.
Определив каждую составляющую выражения 4 по известным методикам,
получим уравнение теплового баланса СФЭУГК:
Ecи· кконц · .ηг.п.·(1-ηотр)+k1· σ·(0,0552· Твозд1,5)4=
2· k1·α·(Tфэ – Tвозд)+ α ·( крад / кконц ) · (Tфэ – Tвозд)+ Ecи ·кконц· .ηг.п.·(1-ηотр) ·
· ηфэ0·(1-βn ·(Тфэ-Tфэ0)
(5)
Где, Ecи- интенсивность солнечного излучения, приходящего на
лучеприменую поверхность СФЭУГК, кконц- коэффициент концентрации излучения
в голографическом концентраторе, ηг.п- КПД голографической структуры, ηотрпотери на отражение от поверхности СФЭУГК, к1-коэффициент, определяющий
тепловые потери на границе стекло-фотоэлемент, σ- постоянная СтефанаБольцмана, α – коэффициент теплоотдачи поверхности, Твозд- температура воздуха,
Tфэ- температура фотоэлемента, ηфэ0- КПД фотоэлемента при нормальных условиях
испытаний, βn-температурный коэффициент КПД фотоэлемента, крад- отношение
площади радиатора к площади фотоэлемента.
В уравнении 5 переменными величинами в зависимости от геометрических
характеристик СФЭУ являются: кконц , крад, Tфэ. Переменными величинами в
зависимости от параметров солнечного излучения и метеорологических факторов
являются: Ecи, Tвозд, Тфэ. Все остальные величины можно считать условнопостоянными. Очевидно, уравнение 5 имеет семейство решений относительно Тфэ,
при различных значениях прочих переменных величин.
На рисунке 6 представлено решение уравнения теплового баланса
фотоэлемента относительно коэффициента концентрации.
12
T. ф.э.
120
100
80
60
40
20
12
11,5
11
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6
6,5
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
10,5
Кконц, о.е.
0
Рисунок 6. Зависимость температуры фотоэлемента от коэффициента
концентрации.
На рисунке 7 представлена зависимость КПД фотоэлемента от
коэффициента концентрации
.
КПД ф.э.
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Кконц, о.е.
0
2
4
6
8
10
12
14
Рисунок 7. Зависимость КПД фотоэлемента от коэффициента концентрации
Приняв максимально возможную величину снижения КПД фотоэлемента и
соответственно выработки электроэнергии на 20 относительных процентов, в
условиях максимального среднечасового прихода солнечного излучения для г.
Сочи из зависимости, представленной на рисунке 7 можно определить критическое
значение коэффициента концентрации
кконц крит=7
(6)
что будет соответствовать температуре фотоэлемента:
Тф.э к=7=69,7 ° С
(7)
Определив критический коэффициент концентрации для заданного
снижения КПД, получим зависимости КПД фотоэлемента при заданной
температуре воздуха 30 ° С от прихода солнечной радиации, представленную на
рисунке 8.
13
КПД ф.э.
0,2
0,15
0,1
0,05
Ес.и. Вт/м.кв..
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100
Рисунок 8. Зависимость КПД фотоэлемента от прихода солнечной радиации
при кконц =7.
На основании величины предельного коэффициента концентрации получим
геометрические размеры разрабатываемой СФЭУГК: 1000х210х30 мм.
Рассмотрим расчетную схему определения мощности СФЭУ на основе
голографического концентратора, представленную на рисунке 9.
Рисунок 9. Расчетная схема определения мощности СФЭУ
Где Рси – мощность солнечного излучения, поступающего на лучиприемную
поверхность СФЭУ, ∆Ротр- потери мощности на отражение от лучиприемной
поверхности СФЭУ, ∆Рг.с – потери мощности в голографическом слое, ∆Рстекл –
потери мощности
в кварцевом стекле , Рфэл- электрическая мощность
фотоэлемента, Ртепл – рассеиваемая тепловая мощность.
Энергетическое уравнение работы СФЭУ будет иметь вид:
Рси – ∆Ротр–∆ Ргс– ∆ Рстекл– Ртепл= Рфэл
(8)
Представив каждую составляющую выражения 8 в виде интеграла по
спектру излучения, получим:
λn
λn
λn
λn
λn
λ1
λ1
λ1
λ1
λ1
Sл.п.·( ∫ e(λ )dλ · ∫ τ отраж (λ ) ⋅ dλ · ∫ τ г.п (λ ) ⋅ dλ · ∫ τ стекла (λ ) ⋅ dλ · ∫ SR(λ )dλ )=Рф.э эл. (9)
где Sл.п – площадь лучиприемной поверхности СФЭУГК, e- спектральное
распределение солнечной энергии, t- соответствующие потери в зависимости от
длины волны излучения, SR- спектральный КПД фотоэлемента.
Решая уравнение 9 в диапазоне частот работы фотоэлемента, получим КПД
СФЭУГК в зависимости от длины волны падающего излучения (рисунок 10).
14
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
КПД, СФЭУ
lнм.
225 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000 1 0501 100
Рисунок 10. КПД СФЭУГК в зависимости от длины волны солнечного
излучения.
Для рассматриваемой установки оптимальным будет соединение 8
фотоэлементов в последовательную цепь. В этом случае семейство ВольтАмперных характеристик СФЭУГК имеет вид, представленный на рисунке 11.
I,А
8
6
4
2
U,В
0
0
1
2
3
4
5
6
Рисунок 11. Вольт - Амперные характеристики СФЭУ
Основные параметры СФЭУГК следующие: площадь лучиприемной
поверхности-0,21 м2, количество фотоэлементов-8 шт, тип фотоэлементовкремний, напряжение холостого хода-5,5 В, ток короткого замыкания-7,3 А,
пиковая мощность-24 Вт, КПД -0,12.
Стоимость пиковой установленной мощности солнечных модулей с
голографическими концентраторами при необходимой организации производства
составляет порядка 26,84 руб/Вт (0,74 $/Вт). Стоимость фотоэлектрических батарей,
представленных на российском рынке составляет 1,7-3 $/Вт. В соответствии с этим
можно делать вывод о высокой экономической эффективности изготовления и
применения
фотоэлектрических
батарей
на
основе
голографического
концентратора.
В четвертой главе определены энергетические параметры работы СФЭГК в
реальных условиях работы. Для этого, проанализированы источники исходной
информации, разработана методика определения энергетических параметров
установки и рассмотрены характеристики работы установки для некоторых
регионов России.
Основными источниками исходной актинометрической информации
являются климатические справочники и базы данных, подготавливаемые
специализированными организациями на основе обработки результатов
15
многолетних метеорологических наблюдений на метеостанциях. В России
основным надежным источником актинометрических данных является
многотомный Научно-прикладной справочник по климату СССР, ставший трудом
многочисленного коллектива специалистов региональных и центральных
организаций, занимающихся проблемами метеорологии и климата.
Существует значительное число компьютерных баз данных, разработанных
европейскими и американскими специалистами, которые имеют удобную для
пользователя форму предоставления информации. Они различаются по источникам
получения информации: наземные или спутниковые наблюдения; по срокам
обработки данных: от 1 до 30 лет; представлением характеристик солнечной
радиации: получасовые, часовые, месячные, годовые значения, возможностями
пространственной интерполяции.
Среди всемирных баз данных солнечной радиации классической является
продукт
на
CD-ROM
диске
швейцарской
организации
Meteonorm
«METEONORM », которая основана на данных более 2400 пунктов наблюдения,
что является малопредставительным для столь масштабной программы. В то же
время она является наиболее полной по проводимым измерениям (суммарная,
прямая и рассеянная солнечная радиация, температура, давление, скорость,
влажность атмосферного воздуха). Она позволяет производить пространственную
интерполяцию представленных данных.
Для обеспечения надежного бесперебойного энергоснабжения автономного
потребителя требуются среднечасовые значения приходов солнечной радиации,
т.к. необходим расчет суточного баланса энергии в энергосистеме с
аккумулированием энергии. В связи с этим в работе рассмотрены два источника
среднечасовой информации:
- Научно-практический справочник по климату СССР (НПС);
- База данных «METEONORM 4.0».
На основе анализа составленных карт прихода солнечной радиации по
вышеперечисленным источникам можно сделать выводы о том, что наименьшая
величина среднесуточных погрешностей применения рассматриваемых баз данных
для расчета суммарной солнечной радиации наименьшая в летний период года (3%..+3%). В зимний период года эта величина лежит в диапазоне от -6% до +6%.
Наибольшая погрешность возникает при сравнении прихода диффузной
составляющей солнечной радиации (до +/-10%), что объясняется высокой
зависимостью прихода диффузной составляющей солнечной радиации от
множества внешних факторов.
В связи с тем, что для корректного расчета энергетических параметров
солнечной фотоэлектрической станции, построенной на основе фотоэлектрических
установок
с
голографическими
концентраторами
солнечной
энергии,
определяющим параметром является приход суммарной солнечной радиации,
можно сделать вывод о корректности применения базы данных «METEONORM»,
при этом величина погрешности расчетов не превысит +/- 3% по сравнению с
применением базы данных «НПС», что является допустимой величиной при
проведении энергетических расчетов. В тоже время база данных «METEONORM»
позволяет получить информацию о приходе солнечной радиации для каждого часа
года, что является важным фактором при расчете параметров работы СФЭУГК.
16
Рассмотрим видимое движение Солнца для характерны суток года (рисунок
12), отразив на схеме для произвольных случаев углы α (высотный угол) и γ
(азимутальный угол).
Рисунок 12 Видимое движение Солнца
С учетом параметров работы ГОЭ, полученных в гл.2 построим рабочую
зону СФЭУГК на диаграмме движения Солнца для г. Москвы (рисунок 13).
Рисунок 13 Рабочая зона СФЭГК на диаграмме движения Солнца, для г. Москва.
где, АМ- истинное солнечное время до полудня, РМ- истинное солнечное
время после полудня.
Очевидно, СФЭГК имеет слепую зону, в диапазоне азимутальных углов
больше 70°. Стоит отметить, что для прочих типов стационарных солнечных
концентраторов слепая зона лежит в диапазоне начиная от 30° азимутальных
градусов.
Таким образом, при вычислении выработки электроэнергии от поступающей
на поверхность СФЭУ с голографическим концентратором прямой составляющей
солнечной радиации необходимо ввести ограничение, учитывающее слепую зону
голографического элемента. Выражение для определения мощности СФЭУ от
прямого солнечного излучения РпрямСФЭУ в заданный момент времени примет вид:
17
РпрямСФЭУ=Рпрям.факт.·ηсфэу·θ прям
(10)
Где Рпрям.факт.- фактический приход прямой солнечной радиации в заданный
момент времени на ориентированную под заданным углом площадку
определенный, ηсфэу- КПД СФЭУ, определенный в гл.3., θпрям- функция,
описывающая рабочую зону СФЭУ и определяемая выражениями:
Θпрям=1 при γ=-70°…+70°
(11)
Θпрям=0 при γ=+70°…-70°
Приняв допущение, что диффузная солнечная радиация распределена по
небосводу равномерно получим выражение для определения мощности СФЭУ от
диффузной составляющей солнечного излучения РдифСФЭУ в заданный момент
времени:
РдифСФЭУ=Рдиф.факт.·ηсфэу (1- ∆Рдифазимут -∆Рдифвысотн).
(12)
где Рдиф.факт.- фактический приход диффузной солнечной радиации в заданный
момент времени на ориентированную под заданным углом площадку, ηсфэу- КПД
СФЭУ, определенный в гл.3., ∆Рдифазимут – потери мощности в о.е., связанные с
наличием слепой зоны СФЭУ с голограммным концентратором в азимутальном
направлении работы, определяемые выражением:
∆Рдифазимут=(2(90°-·γкрит)/180°)=0,22
(13)
Определив по аналогии отраженную составляющую солнечного излучения,
получим выражение для определения суммарного прихода солнечной радиации на
лучиприемную поверхность СФЭУГК:
β + (90 − α крит )
1
Рс.и=·ηсфэу( Рпрям.факт. ·θ прям+ Р ДГ ⋅ (1 −
− 0,22) + РΣГ ⋅ ρ ⋅ ⋅ sin( β + α крит ) ⋅ 0,788) (14)
2
180
Определим выработку электроэнергии в пересчете на 1 м2 площади
фотоэлектрического преобразователя для различных типов фотоэлектрических
установок для условий г. Сочи.
160
Э кВт*ч/мес
140
Э кремниевой СБ
120
ЭСФЭУ с гологрф.
концентратором
Э голокон
100
Э PST
80
60
40
20
t, мес.
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Рисунок 14. Сравнительная выработка электроэнергии в годовом цикле
для различных типов солнечных установок для условий г. Сочи в пересчете
на 1м2 фотоэлемента.
12
18
Проанализировав зависимости, представленные на рис. 14, можно сделать
выводы об увеличении выработки электроэнергии на 1м2 фотоэлемента в течение
года по сравнению с классической фотоэлектрической установкой на основе
монокристаллического кремния в 5,15 раза.
Рассмотрим применение СФЭУГК на примере частного домовладения
расположенного в г.Сочи, подключенного к сети централизованного
электроснабжения. В этом случае, критерием оценки может являться условный
чистый дисконтированный доход (ЧДД), получаемый в результате экономии
электроэнергии потребляемой из сети при работе фотоэлектрической станции
построенной на основе классических кремниевых фотоэлектрических батарей и
СФЭУГК:
ЧДД =
T расч
∑П
j =1
j
(1 /(1 + ε )) j
(15)
где Пj – чистая прибыль в соответствующем году, j- номер года, ε- ставка
дисконтирования, Tрасч- расчетный период, равный сроку службы установки.
График ЧДД для двух вариантов строительства представлен на рисунке 15.
Прибыль, руб.
200000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
-200000
-400000
-600000
ЧДД ФЭС на основе
кремниевых СФЭУ
ЧДД ФЭС на основе СФЭУ
с голограф.
концентратором
-800000
Рисунок 15. ЧДД для двух вариантов строительства СЭС.
Проанализировав зависимость, представленную на рисунке 15 можно
сделать вывод о снижении срока окупаемости строительства солнечной
электрической станции на основе СФЭУ с голографическими концентраторами
практически в два раза, по сравнению с солнечной фотоэлектрической станцией,
построенной на основе кремниевых фотоэлектрических батарей без
концентраторов солнечного излучения.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. На основе рассмотрения мирового опыта производства и эксплуатации
солнечных фотоэлектрических установок, предложена конструкция СФЭУ,
построенная на основе плоского голографического концентратора. От
известных аналогов она отличается тем, что кремниевый фотоэлемент
расположен в торцевой части плоского концентратора. Это решение позволяет
более эффективно охладить фотоэлементы и способствует равномерному
попаданию излучения на их поверхность.
год
19
2. На основе решенных задач компьютерной голографии была поставлена и
решена задача разработки голограммы для построения голографического
концентратора. Было определено, что для создания такого рода концентраторов
солнечного излучения необходимым условием является применение объемных
голографических структур. При этом, теоретическая максимальная
эффективность объемных голограмм достигает 100%, при фактической,
технически возможной эффективности в 95-98%. Спектр частот работы
голограммы с максимальной эффективностью лежит в диапазоне от 400 нм до
850 нм.
3. Важным параметром работы СФЭУ с голографическим концентратором
является тепловой режим фотоэлементов. На основе анализа теплового режима
было получено, что критический коэффициент концентрации излучения равен
7. В результате разработки методики и численного определения энергетических
характеристик СФЭУ с голографическим концентратором было рассчитано, что
при н.у. КПД СФЭУ составляет порядка 11,8-12,2%.
4. Для корректного определения фактической выработки электроэнергии
необходимо выбрать источник исходной информации по приходу солнечной
радиации на заданную площадку для конкретных географических условий. В
результате анализа существующих баз был сделан вывод о допустимости и
корректности использования широко распространенной базы «METEONORM».
На основе этой базы данных, по предложенным методикам, было определено,
что снижение выработки электроэнергии СФЭУ с голографическим
концентратором по сравнению с кремниевой фотоэлектрической батареей
составляет порядка 27% в течение года нарастающим итогом.
В целом по результатам выполненных исследований можно утверждать, что
имеется высокая целесообразность и экономическая эффективность строительства
фотоэлектрических станций на основе голографических концентраторов
солнечной энергии, причем современное состояние развития науки и техники, в
том числе развитие технологий голограммной оптики позволяет с успехом
реализовывать предложенные решения в промышленном масштабе.
Основные
положения
диссертации
отражены
в
следующих
публикациях:
1. Афонин В.С., Бавин М.Р., Пугачев Р.В., Шестопалова Т.А. Гибридные
энергокомплексы
возобновляемой
энергетики
для
автономного
потребителя с использованием голографических фотоэлектрических
батарей // «Альтернативная энергетика и экология» – № 16 – Саров,
Научно-технический центр «ТАТА», 2013 г..
2. Виссарионов
В.И.,
Бавин М.Р. Солнечная
фотоэлектрическая
батарея//Решение о выдаче патента на полезную модель №
2012115231/28(023022)
от
18.04.2012;
заявитель
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Национальный исследовательский
университет «МЭИ».
3. Бавин М.Р.., Шестопалова Т. А. Определение рабочей температуры
фотоэлемента голографической батареи // Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика: Двадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов:
Тез. докл. Т.3. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С.350-351.
20
4. Бавин М.Р.., Шохзода Б.Т., Кузнецова В.А. . Определение эффективности
элемента голографической батареи в зависимости от спектрального состава
излучения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцатая
Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.3. - М.:
Издательский дом МЭИ, 2014. С.351-352.
5. Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Разработка преломляющих фотоэлектрических
установок// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая
Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.3. - М.:
Издательский дом МЭИ, 2012. С.336-337.
6. Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Разработка фотоэлектрической установки с
использованием голографической системы и спектрального фильтра
//
Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на
знаниях: сборник докладов IV Международной научно-практической
конференции – Москва : МГСУ, 2012. – С. 467-468.
7. Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Голографические батареи в комплексе с
классическими инженерными системами зданий
// Научно-техническое
творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях: сборник
докладов V Международной научно-практической конференции – Москва :
МГСУ, 2013. – С. 443-444.
8. Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Фотоэлектрическая установка на основе
голографической
системы
//
Устойчивость,
безопасность
и
энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных,
технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений:
сборник тезисов III Всероссийской молодежной конференции - Москва :
МГСУ, 2012. – С. 22-28.
9. Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Исследование работы преломляющей
фотоэлектрической установки // Повышение надежности и эффективности
эксплуатации электрических станций и энергетических систем: сборник
докладов II всероссийской научно – практической конференции- М.:
Издательский дом МЭИ, 2012. С.126-128.
10. Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Состояние и перспективы развития
возобновляемых источников в России и мире// Повышение надежности и
эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем:
сборник докладов II всероссийской научно – практической конференции- М.:
Издательский дом МЭИ, 2012. С.17-22.
Подписано в печать
Полиграфический центр МЭИ
Красноказарменная ул., д. 13
Зак.
Тир.
П.л.