CC BY
37
шнЕРШшРЕтурсшшБЕШШЕтишшЭНЕРШЯЭФФЕШшвютишЬ 15
УДК 662.997:537.22.
Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором
Д. С. Стребков,
ГНУ ВИЭСХ, директор, доктор технических наук, профессор В. А. Майоров,
ГНУ ВИЭСХ, заведующий лабораторией, кандидат технических наук В. А. Панченко,
ГНУ ВИЭСХ, младший научный сотрудник
Параболоторический концентратор солнечного излучения позволяет получить равномерную освещённость на заданном цилиндрическом приёмнике, даже при небольшом фокусном расстоянии. Его использование возможно совместно с планарными, высоковольтными солнечными элементами, двигателем Стирлинга, а также разнообразными парогенераторами.
Ключевые слова: параболоид, концентратор, фокон, солнечный модуль.
В настоящее время широко известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоида [1]. Концентраторы создают в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации излучения, достигающие 2000 раз, однако не могут использоваться совместно с кремниевыми планарными ФЭП. Также широко известны солнечные фотоэлектрические модули, состоящие из параболоидного концентратора типа «фокон» и фотоэлектрического преобразователя, расположенного в фокальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения [2]. Однако такое техническое решение имеет ряд недостатков, к примеру, снижение КПД планарными кремниевыми фотоэлектрическими приёмниками ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения. Расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещённости поверхности фотоприёмника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП); низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле с целью достичь напряжения от 12 В для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т. п.; последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, так как выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.
Настоящая статья посвящена исследованию фотоэлектрического модуля на основе параболото-рического концентратора с равномерной освещённостью в области фокального пятна на цилиндрическом фотоприёмнике, который обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких
концентрациях, равномерное освещение фотоэлектрического приёмника, получение на одном ФЭП (модуле) напряжения от 12 В и выше, увеличение КПД преобразования, снижение стоимости вырабатываемой энергии. Технический результат достигается тем, что солнечный фотоэлектрический модуль (рис. 1) содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приёмник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения; концентратор, представляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящий из нескольких зон (а-Ь, Ь-с, с-й), выполнен составным по принципу собирания отражённых лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещённости поверхности фотоэлектрического приёмника:
X2=4[(/+h/m)Y];
2<х=[(/+Н)-^/Х;
р=(Хс-Хь)/(^ь);
у=(Ха-Хь)/^^ь);
К=[(Х+г)2-г2]/2гЬ.
Фотоэлектрический приёмник выполнен в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной Но и с внутренним радиусом г.
Фотоэлектрический модуль содержит (рис. 2): параболоторический концентратор 1, состоящий из нескольких зон с рабочими профилями а-Ь, Ь-с, с-й, которые создают цилиндрическую фокальную область с равномерной освещённостью 2 на поверхности цилиндрического фотоэлектрического приёмника 3, выполненного в виде цилиндра из скомму-тированных высоковольтных ФЭП длиной Н0 и с внутренним радиусом цилиндрического приёмника г и устройством охлаждения 4.
где в - угол (в зоне рабочего профиля концентратора Ь-с) между касательной в точке координат Хс, Ус и отражённым от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне /о+Ь0, расположенной на радиусе Го;
Рис. 1. Схема конструкции фотоэлектрического модуля
с составным параболоторическим концентратором, обеспечивающим равномерное осевое распределение концентрированного излучения на поверхности цилиндрического фотоэлектрического приёмника
Работает солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом: солнечное излучение, попадая на поверхность параболоториче-ского концентратора 1, отражается под углами наклона а, в, у в своих зонах (а-Ь, Ь-с, с-в) так, чтобы они обеспечивали концентрацию лучей в фокальной области 2, формируя на поверхности фотоэлектрического приёмника 3 с устройством охлаждения 4 равномерную освещённость концентрированного излучения; фотоэлектрический приёмник 3 выполнен в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой Ь-о и с внутренним радиусом Го-
где у - угол (в зоне рабочего профиля концентратора а-Ь) между касательной в точке координат Хь, У^ и отражённым от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне /о+^о, расположенной на радиусе Го-
Значения координат Х, У (в зоне рабочего профиля концентратора с-в) при освещённости приёмника 3 в интервалах АЬ=Ьо/Ы, Н=п-АН, где п выбирается из ряда чисел п=1, 2, 3... Ы, соответствуют выражениям:
где коэффициенты к, т выбираются в соответствии с граничными условиями.
Значения координат Хь, Уь в зоне рабочего профиля концентратора Ь-с, где Ьс - прямая линия, соответствуют выражениям:
Значения координат Ха, Уа в зоне рабочего профиля концентратора а-Ь, где аЬ - прямая линия, соответствуют выражениям:
Рис. 2. Ход лучей от параболоторического концентратора до фотоэлектрического приёмника
Основные расчётные соотношения хода лучей от параболоторического концентратора до фотоэлектрического приёмника:
где а - угол (в зоне рабочего профиля концентратора с-в) между касательной в точке координат Х, У и отражённым от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне /о+Ь, расположенной на радиусе Го,
Геометрическая концентрация освещённости фотоэлектрического приёмника 3 Kn в интервалах радиуса концентратора AXn=Xn-Xn-i равна:
Kn=[(Xn+r0)2-(Xn_1+r0)2]/2r0 • Ahn.
На основании данных формул произведен расчёт формы отражающей поверхности параболоторического концентратора - график зависимости X(Y) и график распределения концентрации освещённости на приёмнике фотоэлектрического модуля от ширины фокальной области (от 0 до h) в относительных единицах (от 0 до 1) (рис. 3).
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.TU
№ 5(47) 2012, сентябрь-октябрь
шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшэнЕРШявФФЕшашшшЬ 17
Y, мм
Распределение освещенности по фокальному пятну параболоида
300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0 , мм
/
/
/
/
>
/
t
/
/
/ —Y
у
/
/
/
/
/
/
/
/
,00 50,00 100,00 150,00 200,00
12
10
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800
Ширина фокального пятна, отн. ед.
1,000
1,200
Рис. 3. Форма отражающей поверхности концентратора — график зависимости Х(У) и график распределения концентрации освещённости на приёмнике фотоэлектрического модуля от ширины фокальной области (от 0 до Ь)
в относительных единицах (от 0 до 1)
При уменьшении высоты Н0 фотоэлектрического приёмника 3, т. е. при уменьшении площади фотоэлектрического приёмника 3, происходит увеличение геометрической концентрации фотоэлектрического модуля К.
Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию фотоэлектрического модуля, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и выбранный тип фотоэлектрического приёмника 3.
Из приведённых характеристик видно, что изменение концентрации освещённости по высоте фотоэлектрического приёмника 3 не превышает 10 %, что не влияет на электрофизические характеристики ФЭП.
В ходе исследований был изготовлен модуль (рис. 1), который состоит из концентратора 1 радиусом R=228 мм, выполненного из алюминиевого листа с зеркально отражающей внутренней поверхностью с рабочим профилем (рис. 3), обес-
печивающим равномерную концентрацию лучей на фотоэлектрическом приёмнике 3, выполненном в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой Н0=40 мм, шириной Дг=10 мм и с внутренним радиусом г0=60 мм, закреплённого на цилиндрическом устройстве охлаждения 4. Концентрация освещённости на всей поверхности фотоэлектрического приёмника 3 составила К=10 раз (рис. 3).
Таким образом, предложенный фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями и параболоторическим концентратором 1 обеспечивает равномерное распределение освещённости на фотоэлектрическом приёмнике 3 из последовательно-параллельно соединённых высоковольтных ФЭП, тем самым повышая напряжение модуля и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.
8
6
4
2
0
Литература
1. Стребков Д. С., Росс М. Ю., Джайлани А. Т., Митина И. В. Солнечная установка с концентратором. Патент РФ №2396493. Бюл. № 22, 2010.
2. Арбузов Ю. Д., Бабаев Ю. А., Евдокимов В. М., Левинскас А. Л., Майоров В. А., Ясайтис Д-Ю. Ю. Концентратор солнечной энергии. Патент СССР № 1794254, 3.04.91.
Solar pv module with parabolic-toroidal concentrator
D. S. Strebkov,
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture, director, DTS, professor
V. A. Mayorov,
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture, laboratory director, PhD
V. A. Panchenko,
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture, research assistant
Parabolic-toroidal concentrator of solar radiation makes it possible to obtain uniform illumination on a given cylindrical receiver, even with a small focal length. Its use is possible with planar, high-voltage solar cells, Stirling engines, as well as a variety of steam generators.
Keywords: paraboloid, concentrator, focon, solar module.
