Коэффициент концентрации солнечного излучения и методы его измерения в солнечных энергоустановках с концентраторами

Вве^ение. Концентратор солнечного излучения – это устройство повышающее плотность потока солнечного излучения.

Существенными признаками концентраторов солнечного излучения являются:

• 1.    уровень повышения плотности солнечного излучения или степени его концентрации;

• 2.    степень равномерности распределения плотности сконцентрированного излучения на приёмнике;

• 3.    характер взаимодействия излучения с оптическими элементами систем концентратора солнечного излучения;

• 4.    воздействие на спектральные характеристики сконцентрированного излучения;

• 5.    число оптических элементов, последовательно участвующих в процессе концентрирования излучения;

• 6.    располо^ение приёмника в совпадающем по направлению (проходящем) или встречном по отношению к солнечному потоку сконцентрированного излучения;

• 7.    геометрическая форма концентратора солнечного излучения [1].

Геометрическая форма концентратора солнечного излучения связана с плотностью потока концентрированного солнечного излучения.

Цель иссле^ований – непосредственное измерение коэффициента концентрации солнечного излучения в солнечных энергоустановках.

Услови^, материалы и мето^ы. Концентратор на основе концентрической линзы Френеля имеет воспринимающую солнечные лучи поверхность в форме круга. Фокальное пятно концентратора так^е имеет форму круга. Отношение указанных площадей определяет геометрический коэффициент концентрации К солнечного излучения. Концентраторы, имеющие другую геометрическую форму, например, в виде линейной линзы Френеля воспринимают излучение поверхностью, в форме прямоугольника и имеют геометрический коэффициент концентрации в К меньше, чем концентрическая линза Френеля. На рис. 1 показана схема потоков излучения в солнечном модуле с концентратором.

Рисунок 1 – Схема потоков солнечного излучения в солнечном модуле с концентратором

Солнечное излучение на рис. 1, обозначенное цифрой 2, падает на апертуру концентратора 1, сконцентрированное излучение 3 направляется на апертуру приёмника 4 [2]. Отношение апертуры, на которую падает солнечное излучение к апертуре приёмника, связанной с преобразованием этого излучения в различные виды энергии, называется геометрическим коэффициентом концентрации. Формула 1 есть его математическое выра^ение:

A.

С g вво = _А ^А ₂¹                                               (1)

где ^ 1 – апертура концентратора, на которую падает солнечное излучение;

^ 2 – апертура приёмника, связанная с преобразованием солнечного излучения в различные виды энергии.

Непосредственное измерение коэффициента концентрации солнечного излучения в энергоустановках является сло^ной задачей в связи с высокой плотностью лучистой энергии (1-3 квт*см-2). На заре развития гелиотехники метод измерения высоких уровней излучения заключался в замене замеров облучённости непосредственно в фокальном пятне измерением облучённости на изобра^ении пятна. Этот метод требовал специального экрана, вторичного отра^ателя, диафрагмы, линзы, термобатареи актинометра ^Т-50, специальной схемы водяного охла^дения [3].

К началу семидесятых годов двадцатого века не существовало стандартных приёмников лучистой энергии для непосредственного измерения коэффициента концентрации солнечного излучения. В 1977 году академик Р^Н Дмитрий Семёнович Стребков разработал фотоэлектрический измеритель плотности потока излучения (ФИППИ) [4, 5]. Исследования зависимости тока короткого замыкания МСЭ от освещённости, удельного сопротивления кремния и конфигурации p-n переходов показали, что при определённом соотношении ме^ду временем импульса излучения и временем ^изни электронов в кремнии МСЭ имеют линейную характеристику и могут быть использованы для измерения распределения освещённости в оптических печах, в технологических лазерных установках и в солнечных фотоэлектрических модулях с концентраторами [6].

Результаты и обсу^^ение. Разработаны фотоэлектрические измерители плотности потока излучения (ФИППИ), предназначенные для измерения распределения энергетической освещённости в потоках излучения высокой интенсивности. Чувствительный элемент измерителя, показан на рис. 2, представляет собой матрицу из кремния с удельным сопротивлением 0,1 Ом×см с вертикальным p-n переходом и изотипным p-p⁺ переходом. Площадь чувствительной поверхности 0,4×0,8 мм. ФИППИ позволяет измерять энергетическую освещённость в диапазоне 4×10^-1 - 4×10³ Вт/см². Спектральная чувствительность элемента составляет 0,01-0,2 ^/Вт для диапазона 0,5-1 мкм. На рис. 3 изобра^ены ФИППИ-1, который содер^ит один элемент и ФИППИ-13 с тринадцатью чувствительными элементами.

Рисунок 2 – Чувствительный элемент измерителя потока излучения

Ток ФИППИ измеряют под действием прямого солнечного излучения. Чувствительный элемент на короткий проме^уток времени вносят в фокальную область концентратора, измерения проводят в импульсном ре^име. Отношение величин токов ФИППИ с концентратором и без концентратора даёт значение коэффициента концентрации по току. Зная соответствия ме^ду значениями тока и энергетическими характеристиками потока солнечного изучения мо^но определить плотность потока концентрированного солнечного излучения.

Рисунок 3 – Фотоэлектрические измерители плотности потока излучения ФИППИ-1 (слева) и ФИППИ-13 (справа)

Для калибровки ФИППИ необходимо измерить вольтамперную характеристику чувствительного элемента, используя схему, изобра^ённую на рис. 4.

Рисунок 4 – Электрическая схема для снятия вольтамперной характеристики фотоэлектрического измерителя плотности излучения

Солнечное излучение 2 попадает на поверхность ФИППИ, в котором преобразуется в электрический ток, протекающий по цепи через нагрузочное сопротивление 4. Вольтметр 5 показывает значение падения напря^ения на сопротивлении 4, амперметр 3 позволяет следить за изменением силы тока в электрической цепи. При токе 1 мк^ нагрузочное сопротивление 0,2 Мом.

Для калибровки измерителя плотности солнечного излучения требуется произвести три измерения потока излучения, исходящего от Солнца в 9:00, 12:30, 15:00, при ясной, безоблачной погоде. Значения солнечной радиации, полученные в ходе измерений, сравниваются с показаниями местной метеостанции. Измеряют суммарное, рассеянное и отра^ённое солнечное излучение. Единицей измерения слу^ит Вт/м2 [7]. Сопоставляя ток ФИППИ с актинометрическими показаниями, мы мо^ем произвести калибровку. Отградуированный ФИППИ позволяет производить измерения распределения плотности солнечного излучения в рабочем пятне концентратора.

Выво^ы: Повышение плотности солнечного излучения, измеряется величиной коэффициента концентрации. Геометрический коэффициент концентрации определяется формой поверхности, воспринимающей излучение. Таким образом, уровень повышения плотности солнечного излучения оказывается, связан с геометрической формой концентратора солнечного излучения. Это позволяет нам приблизиться к определению наиболее существенного признака концентраторов солнечного излучения, то есть такого признака, от которого зависят и из которого вытекают все другие признаки устройств повышающих плотность солнечного излучения. Определив существенный признак указанных устройств, мы построим классификацию концентраторов солнечного излучения. Научно обоснованная классификация, устройств, повышающих плотность солнечного излучения, необходима для разработки новых типов солнечных модулей с концентраторами. На основе ФИППИ разработана электрическая схема измерения коэффициента концентрации солнечного излучения. Малые размеры ФИППИ-1 позволяют с его помощью измерять лучистые потоки практически в точке, не иска^ая поля излучения в процессе измерения. ФИППИ-13 позволяет измерять распределение освещённости в пятне диаметром 10 мм.