Исследование энергетических параметров трапецеидальных приемников излучения солнечных модулей с концентратором и матричными ФЭП

В данной работе исследованы новые солнечные модули, включающие трапециевидные приёмники, на гранях которых смонтированы фотоэлементы, и параболоцилиндрические концентраторы в виде полуветви образующей цилиндр параболы (полупараболоцилиндрический концентратор), обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.

Использование концентраторов в составе солнечных энергетических установок или солнечных фотоэлектрических электростанций является одним из эффективных путей снижения себестоимости фотоэлектрической энергии. Актуальной зада- parabolocylindncal concentrator, geometrical optic, heat чей является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.

Математическая модель расчета оптико-энергетических параметров приемников излучения трапецеидального типа в составе солнечных модулей с па-раболоциндрическими концентраторами.

Схема конструкции солнечного модуля с параболоцилиндрическим концентратором, ходом лучей от поверхности концентратора до поверхностей трапецеидального фотоприемника (ТФП) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема конструкции фотоэлектрического модуля с полупараболоцилиндрическим концентратором и ходом лучей от поверхности концентратора до ТФП шириной d_n, d^, d_u

ТФП выполнен в виде трех линеек из коммутированных на гранях трапеции высоковольтных или планарных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) шириной d_lb d^, d_u. Каждая грань ТФП освещается своей частью концентратора.

Верхняя грань освещается частью

концентратора с граничными координатами {АВ,УВ; АУ}.

Значения координат Х_от У_6П определяются по формулам:

х„ = 2/1

COS(f-5„)

6П V

- (^ + ^>_Л , где б_п = —------ , //=0,1..... п_№

"о f - фокусное расстояние параболы, а координаты X, Y - определяются шириной концентратора.

Распределение концентрации освещенности по ширине фокального пятна на верхней поверхности ТФП определяется как

Хт„ = 2/1—L--/^J,(8)

cos д_п

X 2

Y =       .(9)

ср» ^f

Распределение концентрации осве

где

Квп -

щенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на средней поверхности ТФП определяется по аналогии с формулами (3-6) и представлено на рисунке 3.

Нижняя грань освещается частью

^sin^

cos р s in(// ^ p-v 5_пУ ^вп ~^в(п^ ~^вп ’

вИ       в(я+1) ^Z

,8*'"

Распределение концентрации

осве-

щенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на верхней поверхности ТФП с шириной граней р_и d_cp, d_R, конкретно 4x4^4 см, показано на рисунке 2.

Средняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами \Х_1КУ_Н; Лв,У_в}. Значения координат концентратора в этой области Х_ср, У_ср определяются по формулам:

концентратора с граничными координатами {^У»; 0,0}. Значения координат концентратора в этой области Х_нп, У_нп определяются по формулам:

Х„=2/[—Ь— tg„]    (10)

cos о_п

X 2

^.-52^, из, sin/,,

' =--^'^--,  (14)

СО8Д,51П(// + Д, + 5„)

Ү„=Р*Р,Л5„-5„    (15)

и представлены на рисунке 4.

Рисунок 2 - Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна верхней поверхности ТФП

Рис\ нок 3 - Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна средней поверхности ТФП

Рисунок 4 - Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна нижней поверхности ТФП

Распределение углов падения солнечного излучения на нижнюю поверхноемть ТФП с трапецидальным сечением dB=dcp=dH=4cM

Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на нижней поверхности ТФП определяется по типовым формулам.

Как видно из приведённых графиков, конструкция обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.

Таким образом, на основании приведённой расчетной модели и графиков распределения концентрации освещённости по рабочим поверхностям ТФП можно оптимизировать размеры блоков модуля СБ, величину концентрации и распределение освещённости на рабочих поверхностях фотоприемника и в соответствии с формулой [2]:

w = E₀n<,„,„eosj_cl,ST, (16) где W- выработанная электроэнергия СБ;

Е_о- солнечная освещенность;

По/???? - оптический КПД солнечной батареи;

cosj6/, - средняя дневная величина cos/ в пределах значений /mjn и /тах (/' - угол наклона солнечного излучения к нормали миделя СБ);

S- площадь миделя СБ;

т - дневное время работы СБ, можно определять выработку энергии как на каждой грани, так и всего фотоприемника.

Математическая модель расчета тепловых и температурных режимов трапецеидального приемника солнечного излучения в составе .модуля с параболо-цилиндри ческим концентратором.

Исследуется тепловой режим трапецеидального приемника излучения модуля солнечной батареи с матричными высоковольтными элементами и параболоцилиндрическим концентратором, обеспечивающий работу фотоэлементов при концентрациях до 10 и выше крат. Расчётная схема модуля СБПЦК показана на рисунке 1.

Концентратор имеет форму полуветви параболы A BCD, а приёмниками концентрированного излучения являются боковые и нижняя, обращённая к концентратору, поверхности трапециевидного в сечении канала, на которых крепятся ФЭП. Охлаждение - принудительное, протоком теплоносителя через канал, и естественное, теплообменом с окружающей средой. Выше расчётным способом получены следующие средние концентрации: на поверхностях приёмника, облучаемых дугами концентратора: АВ - 15, ВС - 19,5, СО-35.

Расчёты проводились при следующих параметрах модуля и внешней среды:

параболоцилиндрический концентратор 2,7 х 1,25 м2;

площадь приёмной поверхности F^ 3x0,04x1,25=0,15   м², апертуры

Ғап=3,375 м2;

приёмник концентрированного излучения: поперечное сечение - трапеция с периметром 77=3x0,04+0,07=0,19 м, длиной 1= 1,25 м; омываемая площадь Ғ=ПЬ=^^А м²;

оптический КПД:

Лопт=^'аА л=0,9 х 0,9 х 0,9=0,729, где коэффициенты отражения концентратора /• =0,9, поглощения приёмника а=0,9 и улавливания _Ал=0,9;

КПДФЭППф:)=0,12;

прямая солнечная радиация Е_о, Вт/м²; температура среды (^ °C;

скорость ветра Қ м/с;

Результаты расчётов по одному из шагов итераций.

При прямой солнечной радиации 700 Вт/м2, температуре воздуха 24,5 °C, скорости ветра 4 м/с, расходе воды в пределах 120-200 кг/ч максимальная электрическая мощность при температуре ФЭП 43 °C составляет 254 Вт. Тепловые потери в окружающую среду составили: конвективные 92 Вт, радиационные бб Вт. Температура охлаждающей воды на входе 15-18, на выходе 22-27 °C. КПД модуля 0,1146-ОД 053. При температуре ФЭП 74 °C мощность модуля 219 Вт, при 58 °C - 236 Вт.

Эксперимент

Испытания модуля проводилось в натурных условиях на площадке ВИЭСХ. Измерение солнечной радиации осуществлялось пиранометром типа «Пеленг», измерение температуры - термопарами, расход воды - объёмным методом, скорость ветра - анемометром. На экспериментальном солнечном модуле проведены исследования матричного высоковольтного фотопреобразователя, состоящего из трех параллельно соединенных фотоэлементов с размерами 4x1 см и закрепленного на трапецеидальном фотоприемнике (рисунок 5).

Рисунок 5 - Экспериментальный образец приёмника солнечного модуля с высоковольтными матричными фотоэлементами размером 4x1 см

Рисунок б - ВАХ трапецеидального фотоприемника модуля СБПЦК с тремя высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4x1 см, при солнечном излучении 888 Вт/м2. Коэффициент заполнения ВАХ m=0,660

Рисунок 7 - ВАХ модуля СБПЦК с трапецеидальным фотоприемником с тремя высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4x1 см, при солнечном излучении 883 Вт/м". Средняя концентрация на фотоприемнике Кср=22,5 крат, коэффициент заполнения ВАХ т=0,728

ВАХ матричного высоковольтного фотопреобразователя представлены на рисунке б - без концентрации, на рисунке 7 -с концентрацией солнечного излучения

Из приведённых ВАХ следует, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при низком освещении солнечным излучением, что показывают значения коэффициентов заполнения ВАХ ш. В рабочей точке ВАХ (рисунок б) электрическая мощность в ~19 раз больше, чем на рисунке 5, которая равна Рі=1,175 Вт. При пересчете количества матричных элементов с Т|ф:)=0,12, на всю линейку при освещенности 700 Вт/м2 и г|о1П=0,729 выработанная электрическая мощность будет равна Рэл=208 Вт, что соотвествует расчетным параметрам при температуре ФЭП 74 °C мощность модуля -219 Вт.

Выводы

Проведены:

• -    расчет оптико-энергетических параметров приемников излучения трапецеидального типа в составе солнечных модулей с полупараболоциндрическими концентраторами, позволяющий определять геометрические размеры модуля, распре-

• деление концентрации освещённости по ширине фокального пятна на поверхностях граней трапецеидального фотоприемника, выработку энергии как на каждой грани, так и всего фотоприемника;

• -    расчет тепловых и температурных режимов трапецеидального приемника солнечного излучения в составе с параболоцилиндрическим концентратором;

• -    экспериментальные исследования модуля, в которых определялись следующие параметры: температура окружающей среды, скорость ветра, прямая и отражённая от параболоцилиндрического концентратора солнечная радиация, направленная к трапецеидальному приемнику с вмонтированными фотоэлектрическими элементами, внутри которого циркулирует теплоноситель-вода, расход и температура воды, вольт-амперные характеристики и мощность фотоэлектрического преобразователя, etc. Максимальная электрическая мощность получена при т|ф^О, 12, освещенности 700 Вт/м", г|_О11Т=0,729 при температуре ФЭП 43 °C и составила 254 Вт, 219 Вт при температуре 74 °C и 236 Вт - при 58 °C. КПД модуля 0,1146-0,1053;

• -    на экспериментальном солнечном модуле проведены исследования матричного высоковольтного фотоэлектрического модуля, состоящего из трех параллельно соединенных фотопреобразователей, закрепленных на трапецеидальном фотоприемнике. Показано, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при

непосредственном освещении солнечным светом, значения коэффициентов заполнения ВАХ m 0,728 и 0,660 соответственно.

Конструкция обеспечивает работу солнечного модуля при высоких (до 50 крат) концентрациях и равномерном (до 0,25 от среднего значения) освещении фотоприемника.