Исследование поглощающей способности солнечного излучения листовым поликарбонатом

Автор: Атрашенко Ольга Сергеевна, Галущак Валерий Степанович, Сошинов Анатолий Григорьевич, Мушленко Василий Дмитриевич, Сулаберидзе Владимир Шалвович

Журнал: Вестник аграрной науки Дона @don-agrarian-science

Рубрика: Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование

Статья в выпуске: 2 (38), 2017 года.

Бесплатный доступ

Проблемы поиска наиболее эффективных материалов для изготовления солнечных батарей являются предметом многих научных исследований. Широкое распространение поликарбоната в строительстве и промышленности сделало необходимым рассмотреть возможность его применения и в солнечной энергетике. Одной из важнейших характеристик при использовании поликарбоната для этих целей является оценка его поглощающей способности по отношению к солнечному излучению. В статье описан эксперимент по оценке потерь солнечного излучения при прохождении его через слои листового поликарбоната. Измерения проводились при изменении угла падения солнечных лучей от нуля до девяноста градусов. В результате получен ряд кривых для различных толщин и состояний листового поликарбоната, показавших, что поглощение солнечного излучения не превышает десяти процентов для углов падения солнечных лучей до сорока пяти градусов. Представленные результаты могут быть использованы при проектировании новых конструкций солнечных батарей, а также при строительстве теплиц, парников, сушилок. Защитное покрытие снижает выработку электроэнергии, но его применение оправдано. Из-за атмосферных воздействий солнечные батареи могут быстро выйти из строя, что потребует их замены или покупки новых панелей. В целом проблема защиты энергетических устройств, работающих на солнечном свете, остается одной из актуальных на сегодняшний день. Применение поликарбоната в качестве покрытия позволяет создать прочные вибростойкие солнечные батареи, применимые даже на транспортных устройствах.

Еще

Поликарбонат, светопроницаемость, солнечные панели, свойства материалов, генерация электроэнергии, фотопреобразователи

Короткий адрес: https://sciup.org/140204423

IDR: 140204423

Текст научной статьи Исследование поглощающей способности солнечного излучения листовым поликарбонатом

Введение . Одним из перспективных направлений развития альтернативной энергетики является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Фотовольтаические гелиоустановки могут применяться в микроэлектронике, автомобилестроении, в энергоснабжении жилых помещений, ландшафтном дизайне, в сфере сельского хозяйства, военно-космических отраслях и т.д. [1].

Солнечные панели устанавливаются под открытым небом, поэтому постоянно находятся под атмосферным воздействием. Практически во всех регионах России наблюдаются неблагоприятные природные условия (ветер, град, ледяной дождь и т.д.). Поэтому при установке солнечной установки необходимо позаботиться о защитном покрытии для фотопреобразователей солнечной батареи.

В качестве защитного материала могут использоваться стекло, поликарбонат, оргстекло, плексиглас. Для выбора лучшего материала необходимо сравнить свойства этих материалов и области их применения.

Оргстекло (или акрил) является продуктом органической химии, ему присущи следующие качества [2]:

– легкость в обработке;

– ударная прочность (в 10 раз больше чем у стекла);

– устойчивость к воздействию ветра и дождя;

– низкая теплопроводность (не создает дополнительный нагрев солнечной панели);

– хорошая светопроницаемость (до 92%).

Наряду с положительными свойствами этого материала необходимо отметить и отрицательные: поверхность оргстекла легко поддается повреждению острыми предметами и является довольно хрупким материалом.

Поликарбонат – относительно новый материал, но уже нашел свое применение во многих областях, таких как [3]:

– сельхозпроизводство (светопрозрачная часть парников и теплиц);

– строительство (прозрачные поверхности окон, стен, крыш);

– транспорт (лобовые стекла на кораблях, самолетах, локомотивах);

– высокие технологии (жесткие диски для компьютеров);

– рекламные щиты (антивандальное покрытие служит защитой от внешних воздействий).

Отличительное свойство поликарбоната от других подобных материалов – прочность (в 200 раз прочнее стекла и в 60 раз акрила).

Кроме прочности поликарбонат обладает другими не менее важными свойствами, которые должны учитываться при выборе защитного материала для солнечных панелей:

– стойкость к механическим воздействиям;

– вязкая структура (при экстремальном ударном влиянии пластик трескается, не образуя острые осколки);

– гибкость (листы гнутся даже в холодном состоянии);

– химическая устойчивость (не реагирует на осадки и большинство химически активных веществ, не горит и не выделяет в атмосферу вредных соединений);

– широкий диапазон рабочих температур;

– прозрачность (в зависимости от толщины листа, пропускная способность естественного света 85–92%).

При сравнении свойств этих двух материалов очевидно, что поликарбонат превосходит акрил. Единственным показателем, в котором уступает поликарбонат, – цена, которая выше в несколько раз.

Одной из важнейших характеристик светопрозрачных покрытий теплиц и солнечных батарей является оценка светопропускания [4].

Методика исследования. Для оценки светопроницаемости материала был проведен эксперимент по изучению поглощательной способности листового поликарбоната. Его цель – оценить интегральные потери солнечного излучения при прохождении его через листовой поликарбонат.

Объектом исследования стала чистая фотоэлектрическая панель (ФЭП; образцы листового поликарбоната ПК3 (толщиной 3 мм), ПК4 (толщиной 4 мм); ПК4 ДИФ (толщиной 4 мм с диффузионным слоем, направленным к солнечным лучам).

Из оборудования использовались ФЭП модуль МСМ 4, 8×150, мультиметр, реостат в качестве нагрузки, установка для изменения угла наклона солнечной батареи.

Схема и фото конструкции представлены на рисунке 1.

Результаты были обработаны и представлены в таблице 1.

Рисунок 1 – Схема и фото экспериментальной установки

Таблица 1 – Влияние поликарбонатного покрытия на выработку электроэнергии

Текущее время	Угол наклона образца к горизонту, º	Генерация
		ФЭП		ФЭП+ПК3			ФЭП +ПК4			ФЭП +ПК4ДИФ (к солнцу)
		U 0 , В	P 0 , Вт	U 1 , В	P 1 , Вт	∆P, %	U 2 , В	P 2 , Вт	∆P, %	U 3 , В	P 3 , Вт	∆P, %
14:30	90°	6,9	0,473	6,54	0,425	10,163	6,72	0,449	5,149	6,6	0,4330	8,507
14:31	80°	7,03	0,491	6,8	0,460	6,436	6,85	0,466	5,055	6,69	0,4448	9,439
14:32	70°	7,07	0,497	6,91	0,475	4,475	6,91	0,475	4,475	6,77	0,4555	8,307
14:33	60°	7,04	0,493	6,88	0,471	4,494	6,88	0,471	4,494	6,75	0,4529	8,069
14:34	50°	7,04	0,493	6,88	0,471	4,494	6,88	0,471	4,494	6,75	0,4529	8,069
14:35	45°	7	0,487	6,83	0,464	4,798	6,84	0,465	4,519	6,7	0,4462	8,388
14:36	40°	6,98	0,484	6,82	0,462	4,532	6,81	0,461	4,812	6,7	0,4462	7,862
14:37	30°	6,83	0,464	6,6	0,433	6,622	6,62	0,436	6,055	6,38	0,4046	12,743
14:38	20°	6,62	0,436	6,37	0,403	7,410	6,06	0,365	16,203	6,09	0,3686	15,371
14:39	10°	6,32	0,397	5,84	0,339	14,613	5,76	0,330	16,936	5,23	0,2718	31,519
14:40	0°	6,2	0,382	5,6	0,312	18,418	5,62	0,314	17,835	4,98	0,2465	35,483

Для расчёта мощности применяется формула

Р = U² / R , (Вт), (1)

где R = 100,6 Ом.

Потери мощности определяются по формуле

РР= ⁽ Р ⁰ Р ¹ ) (%). ⁽²⁾ Р

Для графического представления были построены диаграммы генерируемой мощности (рисунок 2).

Рисунок 2 – Диаграмма генерируемой мощности

Из диаграммы видно, что светопроницаемость поликарбоната практически не зависит от толщины листа, а диффузионный слой снижает генерацию электроэнергии.

Для чистоты эксперимента (исключая влияние облачности) был проведен опыт с искусственным источником излучения (осветительной лампой). Были сняты показания напряжения с клемм нагрузки. Результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 3.

Таблица 2 – Генерация электроэнергии (искусственный источник света)

Угол наклона образца к горизонту,	Генерация
	ФЭП	ФЭП + ПК3		ФЭП + ПК4		ФЭП + ПК4ДИФ (к солнцу)
	U 0 , мВ	U 1 , мВ	∆U1, %	U 2 , мВ	∆U 2 , %	U 3 , мВ	∆U 3 ,%
90°	147,6	124	15,99	123	16,67	111,2	24,66
80°	147,4	128,6	12,75	134,8	8,55	120,6	18,18
70°	155,2	136,3	12,18	138	11,08	123,6	20,36
60°	153,6	136,7	11,00	136,1	11,39	119,2	22,40
50°	141,6	125,1	11,65	123,6	12,71	115,8	18,22
45°	132	117,6	10,91	120,3	8,86	108,8	17,58
40°	124,8	109,8	12,02	111,8	10,42	100,3	19,63
30°	113,1	97,5	13,79	99,5	12,02	90,6	19,89
20°	92,7	81,3	12,30	88	5,07	73,7	20,50
10°	78,7	68,3	13,21	69,3	11,94	63	19,95
0°	66	59,3	10,15	60,2	8,79	53,4	19,09

Рисунок 3 – Изменения уровня напряжения

Данный эксперимент является подтверждением того, что защитное покрытие из поликарбоната толщиной 3 мм и 4 мм практически не отличается светопроницаемостью и «поглоща- ет» 16–20% напряжения, защитное покрытие с диффузионным слоем – 30–40%. Практически те же показатели наблюдаются и при расчете потерь мощности (таблица 3).

Таблица 3 – Результаты расчета потерь мощности

Угол наклона образца к горизонту, º	Генерация
	ФЭП		ФЭП + ПК3			ФЭП + ПК4			ФЭП + ПК4ДИФ (к солнцу)
	U 0 ,мВ	P 0 ,мВт	U 1 ,мВ	P 1 , мВт	∆P%	U 2 ,мВ	P 2 , мВт	∆P%	U 3 ,мВ	P 3 , мВт	∆P%
90°	147,6	216,55	124	152,843	29,422	123	150,388	43,293	111,2	122,917	43,241
80°	147,4	215,97	128,6	164,393	23,882	134,8	180,627	21,500	120,6	144,576	33,058
70°	155,2	239,43	136,3	184,669	22,873	138	189,304	27,146	123,6	151,858	36,576
60°	153,6	234,52	136,7	185,754	20,795	136,1	184,127	27,130	119,2	141,239	39,776
50°	141,6	199,31	125,1	155,567	21,947	123,6	151,858	30,502	115,8	133,297	33,121
45°	132	173,20	117,6	137,473	20,628	120,3	143,858	21,345	108,8	117,668	32,062
40°	124,8	154,82	109,8	119,841	22,594	111,8	124,247	25,513	100,3	100,001	35,409
30°	113,1	127,15	97,5	94,496	25,684	99,5	98,412	30,415	90,6	81,594	35,830
20°	92,7	85,42	81,3	65,703	23,083	88	76,978	12,849	73,7	53,993	36,791
10°	78,7	61,56	68,3	46,371	24,683	69,3	47,738	29,823	63	39,453	35,919
0°	66	43,30	59,3	34,955	19,272	60,2	36,024	20,815	53,4	28,346	34,537

Выводы. Защитное покрытие, конечно, снижает выработку электроэнергии, но его применение оправдано. Из-за атмосферных воздействий солнечные батареи могут быстро выйти из строя, что потребует их замены или покупки новых панелей. В целом проблема защиты энергетических устройств, работающих на солнечном свете, остается одной из актуальных. Применение поликарбоната в качестве покрытия позволяет создать прочные вибростой- кие солнечные батареи, применимые даже на транспортных устройствах [5, 6].

Список литературы Исследование поглощающей способности солнечного излучения листовым поликарбонатом

Сухоручкина, Т.Ю. Проблемы развития возобновляемых источников энергетики в России/Т.Ю. Сухоручкина, О.С. Атрашенко//Энерго-и ресурсосбережение: промыш-ленность и транспорт. -2016 -№ 2 (14). -С. 40-43.
Титов, Д.Е. Энергосберегающий комплекс с использованием возобновляемых источников энергии для бюджетных организаций // Д.Е. Титов, О.С. Пасменко, А.Г. Сошинов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. - 2013. - № 10. - С. 19-22.
Основы технологии переработки пластмасс/под ред. В.Н. Кулезнева и В.К. Гусева. -Москва: Химия, 2004. -600 с.
Атрашенко, О.С. Возобновляемые источники энергии для электроснабжения заповедников и природных парков/О.С. Атрашенко, В.С. Галущак, А.Г. Сошинов//APRIORI. Cерия: Естественные и технические науки. -2015. -№ 4.-С. 4.
Пополов, А.С. Солнечный транспорт/А.С. Пополов. -Москва: Транспорт, 1996. -166 c.
Юдаев, И.В. Изучение светопропускающих свойств сотового поликарбоната -покрывного материала круглого-дичных теплиц/И.В. Юдаев//Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. -2016. -№ 120. -С. 239-252.

Статья научная