CC BY
23
ГИБРИДНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Андреев Сергей Андреевич, к.т.н., доцент, профессор кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов Шибаров Дмитрий Васильевич, инженер Московский государственный аграрный университет РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева
Отмечается возрастающая роль гелиоэнергетики в современном мире. Перечисляются основные типы современных фотоэлектрических преобразователей. Выявляется причина неэффективности дальнейших исследований по повышению КПД монокристаллических кремниевых фотоэлементов. Определяются негативные последствия перегрева фотоэлементов. Обосновывается целесообразность гибридного преобразования солнечной энергии на основе совместного использования световой и тепловой составляющей. Приведено описание гибридного устройства для преобразования солнечной энергии.
Большие ожидания энергетиков всего мира связаны с развитием гелиоэнергетики. Из области экзотики и демонстрационных технологий гелиоэнергетические установки все решительнее входят в нашу жизнь. Сегодня уже никто не удивляется фотоэлектрическим элементам, размещенных на крышах жилых домов, на автобусных остановках, на каркасных сооружениях и в специально отведенных местах. В ряде южных стран уже появился положительный опыт практического использования энергии Солнца. Например, общая мощность гелиоэнергетических установок Германии в 2009 составляла 400 Мвт, но уже к концу 2014 года она достигла 700 Мвт. При этом суммарная площадь фотоэлектрических преобразователей превысила 6*10б м2.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили монокристаллические кремниевые (85% рынка) и эпитаксиальные фотогальванические элементы. Квантовые точки, а также устройства со встроенными углеродными нанотрубками, несмотря на чрезвычайно высокий КПД (до 45%), пока остаются весьма редкими и дорогими. Многообещающими устройствами на сегодня представляются композитные фотогальванические элементы, в которых сочетаются полимеры и наночастицы, образующие комплексный монослой. Главная особенность таких элементов состоит в максимальном использовании солнечной энергии: первый слой преобразует энергию видимого спектра, следующий - энергию относительно низкой частоты, и, наконец, третий -инфракрасное излучение. К сожалению такие композитные фотогальванические элементы пока не выходят из лабораторий и в ближайшие годы могут быть использованы только для решения особо ответственных задач.
Большинство современных монокристаллических кремниевых фотоэлементов имеют КПД на уровне 10 - 15%, что, по-видимому,
является их технологическим пределом. Степень очистки сырья для монокристаллических модулей сегодня составляет три девятки после запятой и дальнейшее ее повышение экономически не оправдано. В связи с этим особую актуальность приобретает изыскание каких-то новых путей повышения эффективности гелиоэнергетических установок, которые не были бы связаны с совершенствованием структуры фотоэлектрических преобразователей..
Одним из таких путей является гибридное преобразование солнечной энергии, включающее в себя раздельное использование световой и тепловой составляющих. Известно, что в процессе взаимодействия со световым потоком фотоэлектрический преобразователь нагревается. Этот нагрев обусловлен и непосредственной «работой» фотоэлемента, и прямым преобразование световой энергии в тепловую. Для большинства современных фотоэлементов нормальной является температура порядка 25 -35 °С. Длительное и значительное превышение этого значения (до 70 -90°С на протяжении 40 - 60 минут) может привести к необратимым изменениям в структуре фотоэлектрического преобразователя. При относительно небольшом перегреве происходит заметное снижение его КПД. Установлено, что на каждый дополнительный градус КПД фотоэлемента падает примерно на 0,5%. На рис.1 представлены вольт-апмперные характеристики фотоэлектрических элементов при температурах 25°С и 60°С.
в зависимости от температуры.
Легко заметить, что если в солнечный день фотоэлектрический элемент нагревается до 70 - 80°С, то потери энергии могут достичь 30% относительно этих потерь при нулевой температуре. Получается, что днем, в самое благоприятное время для работы гелиопреобразователя, его КПД становится минимальным вследствие перегрева.
На сегодняшний день известны некоторые конструкции гелиоустановок, в которых предусмотрено принудительное охлаждение фотоэлементов. Однако для реализации интенсивного охлаждения опять-таки требуются затраты энергии. Реализация разработанного гибридного принципа преобразования солнечной энергии позволяет одновременно решать две задачи: охлаждать фотоэлементы (и благодаря этому способствовать сохранению КПД в периоды наибольшей солнечной радиации) и получать дополнительную электрическую энергию за счет преобразования тепловой составляющей.
На рис.2 представлена функциональная схема устройства для гибридного преобразования солнечной энергии в электрическую.
Рис.2. Функциональная схема устройства для гибридного преобразования солнечной энергии в электрическую.
Устройство содержит отражатель 1, выполненный в форме желоба с нанесенным на его внутреннюю поверхность светоотражающим покрытием.
В оптическом фокусе отражателя 1 размещены коаксиальные трубки 2, включающие внешнюю трубку 3 и внутреннюю трубку 4. На внешней поверхности внутренней трубки 4 укреплены фотоэлементы 5. Внешняя трубка 3 является прозрачной. Зазор между внешней трубкой 3 и внутренней трубкой 4 заполнен прозрачной охлаждающей жидкостью. Коаксиальные трубки 2 установлены наклонно (например, под углом 40°...60°) к горизонту. Концы коаксиальных трубок 2 соединены между собой трубопроводом 6, образующим внешний замкнутый контур. При этом часть трубопровода 6, подсоединенная к верхнему концу
V
У
коаксиальных трубок 2, размещена наклонно (под углом 10°... 15°) к горизонту. В верхней части трубопровода 6 установлен термоэлектрический преобразователь 7, выполненный в виде батареи термопар. Термоэлектрический преобразователь 7 должен находитсься в разнотемпературной среде: его «горячая» точка должна быть расположена в зоне нахождения охлаждающей жидкости с максимальной температурой, а «холодная» точка - при температуре окружающего воздуха. Выходы фотоэлементов 5 и термоэлектрического преобразователя 7 соединены последовательно, образуя свободными концами общий электрический выход устройства, подключаемый к нагрузке.
Устройство для гибридного преобразования солнечной энергии в электрическую работает следующим образом. Солнечная энергия, воздействуя на коаксиальные трубки 2, проходит через прозрачную внешнюю трубку 3, попадает на отражатель 1, а затем концентрируется на внешней поверхности внутренней трубки 4, где расположены фотоэлементы 5. В фотоэлементах 5 происходит преобразование световой энергии в электрическую. При этом в фотоэлементах выделяется теплота. Эта теплота является следствием, во-первых, процессов в многослойной полупроводниковой структуре фотоэлементов 5 и, во-вторых, -результатом взаимодействия световой энергии с твердым телом (фотоэлементами 5). Охлаждающая жидкость, заполняющая зазор между внешней трубкой 3 и внутренней трубкой 4, нагревается. В результате разности плотностей горячей и холодной охлаждающей жидкости (например, плотность воды при температуре 20°С составляет 990 кг/м3, а при температуре 70°С - 970 кг/м3) горячая охлаждающая жидкость поднимется в верхнюю часть зазора между коаксиальными трубками 2, а холодная опустится в его нижнюю часть. Поскольку трубопровод 6 замыкает оба конца коаксиальных трубок 2, а верхняя его часть расположена под наклоном к горизонту, охлаждающая жидкость придет в движение, направление которого на рис.2 показано стрелкой. При этом охлаждающая жидкость с максимальной температурой будет сосредоточена в верхней части гибридного устройства. Термоэлектрический преобразователь 7, находясь в разнотемпературной среде, преобразует тепловую энергию в электрическую. Эта электрическая энергия складывается с электрической энергией, преобразуемой фотоэлементами 5 из световой составляющей и, таким образом, утилизируется.
При увеличении нагрузки, подключаемой к выходу устройства, величина потребляемого электрического тока возрастает. Этот ток является нагрузочным по отношению к термоэлектрическому преобразователю 7. Под влиянием тока происходит уменьшение разности температур в разнотемпературной среде расположения термоэлектрического преобразователя 7 (температура «горячей» точки уменьшается, а температура «холодной» точки увеличивается). Поскольку температура «горячей» точки определяется температурой охлаждающей
жидкости, увеличение нагрузки будет способствовать интенсификации охлаждения фотоэлементов 5. Таким образом, при использовании устройства для гибридного преобразования происходит
саморегулирование теплового режима фотоэлементов 5.
Кроме того, отсутствие необходимости в установке дополнительных теплообменных аппаратов (радиаторов охлаждения) существенно уменьшает габариты устройства или позволяет преобразовать большую энергию при тех же габаритах.
Эффективность устройства для гибридного преобразования солнечной энергии иллюстрируется следующим примером. Для современных преобразователей световой составляющей солнечной энергии в электрическую модностью 400 кВт величина тепловых потерь составляет 12.15%. В этих преобразователях утилизации подлежат примерно 60% выделенной тепловой энергии. КПД термоэлектрических преобразователей при перепаде температур в разнотемпературной среде 50°С составляет 7%. Таким образом, общая преобразованная солнечная энергия по световой и тепловой составляющим определяется выражением:
Р = Рп+5хТх г]ХРп , где Рп - номинальная мощность фотоэлементов, Р =
400 кВт,
5- процент тепловых потерь, 5 = 0,12 ;
Т- доля утилизованной теплоты, 7=0,6 ;
^ - КПД термоэлектрического преобразователя, ^ = 0,07 Р = 400 + 0,12 X 0,6 X 0,07 X 400 = 403 кВт Помимо перечисленных преимуществ в устройстве для гибридного преобразования солнечной энергии происходит улучшение теплового режима работы фотоэлементов, что увеличивает продолжительность их срока службы.
