Экспериментальное исследование солнечного концентраторного модуля с теплофотоэлектрическим приемником

Введение. В настоящее время некоторые способы применения солнечной энергии широко практикуются во многих странах с различными климатическими условиями. Прямое использование концентрированного солнечного излучения для производства тепла и электроэнергии не является исключением.

Существует два направления снижения стоимости солнечных фотоэлектрических станций: улучшение технико-экономических характеристик солнечных модулей (СМ) и создание станций с концентраторами [1-4] .

Применение теплофотоэлектрических (ТФЭ) солнечных модулей [5-10] и установок предусматривает комплексное энергоснабжение удаленных объектов сельскохозяйственного назначения их обеспечение как электрической, так и тепловой энергией, которая поступает на объекты в виде горячей воды для горячего водоснабжения и отопления.

Развитие солнечной генерации на базе параболоцилиндрических концетраторных модулей активно ведется во многих странах. Системы на основе солнечных концентраторных модулей достигают значительной производительности в регионах, где уровень прямой инсоляции особенно высок. Для повышения эффективности использования солнечного излучения, концентраторы оснащаются специальными следящими системами, обеспечивающими ориентацию концентраторов в направлении Солнца.

Применение таких солнечных концентраторных модулей в основном ограничено промышленными системами генерации электроэнергии. В этой связи исследования, направленные на повышение производительности неследящих солнечных концентраторов, в том числе модулей, интегрируемых в фасады жилых и административных зданий, имеют актуальность.

В работах [11, 12] было показано, что продлить среднее суточное время активной работы концентратора без физического увеличения его угловой апертуры позволяет использование жалюзийных гелиостатов.

В работе приведены результаты экспериментального исследования макета концентраторного солнечного модуля с жалюзийным гелиостатом (угловая апертура 36˚) и теплофотоэлектрическим приемником солнечного излучения (рис. 1).

б)

Рисунок 1 – Экспериментальный макет концентраторного солнечного модуля с жалюзийным гелиостатом (угловая апертура 36˚) и теплофотоэлектрическим приемником: а) концентратор с жалюзийным гелиостатом; б) изготовленный теплофотоэлектрический

приёмник с солнечными элементами концентраторной солнечной установки

В состав концентраторного солнечного модуля входит:

• 1 - жалюзийный гелиостат;

• 2    - теплофотоэлектрический приёмник с солнечными элементами;

• 3    – система протока воды;

• 4    – зеркальный параболоцилиндрический концентратор;

• 5    – стойка модуля.

Солнечное излучение проходит через жалюзийный гелиостат 1, попадая на рабочую поверхность зеркального параболоцилиндрического концентратора 4 и отражает концентрированное солнечное излучение на теплофотоэлектрический приёмник с солнечными элементами 2 и системой протока воды 3. Солнечные элементы преобразуют концентрированную солнечную энергию в электрическую. Остальная часть солнечной энергии нагревает воду в системе протока.

Разработанная система автоматической регистрации основных параметров солнечного концентраторного модуля в процессе натурных испытаний позволяет получать информацию о таких параметрах солнечного концентраторного модуля, как ток короткого замыкания I_кз, напряжение холостого хода U_хх, инсоляция: суммарная Е_Σ и прямая Е_пр, а также значения температуры окружающего воздуха t_окр, температуры воды на входе t вх и на выходе из теплофотоэлектрического приемника t вых [13].

В ходе экспериментальных исследований проведен анализ электрических и тепловых параметров солнечного концентраторного модуля с теплофотоэлектрическим приемником.

Для иллюстрации работы измерительного блока приведены временные графики для тока короткого замыкания I кз , напряжения холостого хода U хх , инсоляции: суммарной Е Σ и прямой Е пр (рис.2).

Рисунок 2 – Графики рабочих показателей модуля, угол наклона поверхности входа концентратора к горизонту β=15°, угол наклона ламелей α=106°: Iк.з. (1), EΣ (2), Eпр (3)

Графики получены на измерительном блоке с интервалом регистрации 1 с.

Временные характеристики температуры окружающего воздуха tокр, температуры воды на входе tвх     и на выходе из теплофотоэлектрического приемника tвых, снимаемых с температурных датчиков, расхода теплоносителя L показаны на рисунке 3.

Рисунок 3- Графики рабочих показателей модуля: t_0Kp (1) , t_BX (2) , t вых (3)

Характеристики получены измерительным блоком при значениях: угла наклона поверхности входа концентратора к горизонту Р=15°, угла наклона ламелей а=106°.

Расход теплоносителя составлял: в период с 13:37 до 14:03 L=8,1 л/ч, с 14:03 до 14:34 L=9,6 л/ч.

Наряду с температурой теплоносителя на выходе ТФЭ-приемника, важным параметром, определяющим эффективность работы концентрирующего модуля, является тепловая мощность.

На рисунке 4 представлен график тепловой и электрической мощности на основании данных эксперимента и расчетной модели.

Мощность тепловая Рт.(Вт);

мощность электрическая P j. i.(Bij

Рисунок 4 - График тепловой и электрической мощности угол наклона поверхности входа концентратора к горизонту β=15°, угол наклона ламелей а=108°: Р т . (1), Е пр (2), Р эл (3)

При изменении прямой инсоляции E пр (2) в зависимости от облачности меняются величины тепловой Р т . (1) и электрической Р_эл

• (3)    мощности, причем электрическая мощность изменяется адекватно изменению прямой инсоляции, а тепловая мощность имеет свойство релаксации по отношению к изменению прямой инсоляции.

PT = с • P-L • (tex - U ) ,                  (1)

где с – удельная теплоемкость воды, Дж/кг·°С; ρ – плотность воды, кг/м³;

L - расход воды, м³/с; t_ex, т_вых -температуры воды на входе и на выходе канала соответственно, °С.

В ходе экспериментального было установлено, что тепловой КПД теплофотоэлектрического приемника находится в пределах 60…70%. Соотношение тепловой мощности ТФЭ-приемника к электрической при значениях прямой инсоляции 800±100 Вт/м2 находится в пределах от 1:1 до 5:1

Тепловая мощность ТФЭ-модуля находится исходя из выражения:

Заключение.

По итогам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    В процессе натурных испытаний разработанная система автоматической регистрации позволяет получать информацию об основных параметрах солнечного концентраторного модуля: токе короткого замыкания, напряжении холостого хода, температуры воды на входе и на выходе из теплофотоэлектрического приемника, температуры окружающего воздуха, суммарной и прямой инсоляции.

• 2.    При изменении прямой инсоляции в зависимости от облачности меняются величины тепловой и электрической мощности, причем электрическая мощность изменяется адекватно изменению прямой инсоляции, а тепловая мощность имеет свойство релаксации по отношению к изменению прямой инсоляции.

• 3.    Показано, что тепловой КПД теплофотоэлектрического приемника находится в пределах 60…70%. Соотношение тепловой мощности PVТ-приемника к электрической при значениях прямой инсоляции 800±100 Вт/м² находится в пределах от 1:1 до 5:1.

Приведенные эксперименты показали возможность применения разрабатываемой ТФЭ установки для тепло и электроснабжения автономных потребителей.

Стребков Дмитрий Семенович, Академик РАН, доктор технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ