Оценка эффективности использования солнечных панелей с учётом географического положения г. Благовещенска Амурской области

B современном мире широкое распространение получили солнечные фотоэлектрические модули на основе планарных солнечных элементов. Наряду с фотоэлектрическими системами большое распространение получили тепловые солнечные коллектора плоской и вакуумированной конструкций. Руководясь принципами комбинирования, удешевления и оптимизации, ведутся исследования во всём мире по совмещению двух этих систем в одну, сохраняя поло^ительные стороны ка^дой из них и борясь с отрицательными. Одной из отрицательных сторон использования солнечных элементов является их нагрев, из-за чего сни^ается выдаваемая на выходе электрическая мощность. Охла^дение солнечных элементов теплоносителем солнечного коллектора позволит увеличить рабочее напря^ение элементов и, соответственно, выходную электрическую мощность, а так^е электрический коэффициент полезного действия.

Основным конструктивным элементом тепловой солнечной установки является солнечный коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, её преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Основой плоского коллектора является светопоглощающая поверхность, которая дол^на иметь наде^ный контакт с рядом труб или каналов для дви^ения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб образует единый конструктивный элемент - абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя часть абсорбера дол^на быть окрашена в черный цвет или иметь специальное поглощающее селективное покрытие. Снижение тепловых потерь в окру^ающее пространство достигается за счет использования теплоизоляции, которая закрывает ни^нюю поверхность, и светопрозрачной изоляции, размещаемой над абсорбером на определенном расстоянии от него. Bсе перечисленные элементы помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции - остекления. К числу принципиальных преимуществ плоского коллектора по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию. Это позволяет устанавливать коллектор стационарно без необходимости сле^ения за Солнцем. Коэффициент полезного действия солнечной фотоэлектрической установки зависит от материала солнечного элемента и его конструкции. Основными причинами сни^ения эффективности работы фотоэлектрических преобразователей является оса^дение пыли на их поверхности и нагрев материала под воздействием излучения в дневное время суток. Как следствие, повышение температуры сни^ает количество вырабатываемой электроэнергии. Так, например, увеличение температуры кремниевых материалов на 1°C снижает коэффициент преобразования на 0,4-0,5% [2, 3].

Поиски путей к преодолению перечисленных выше негативных факторов привели к интеграции фотоэлектрических преобразователей с плоскими солнечными коллекторами и созданию на их основе нового вида установок, так называемых когенерационных фотоэлектрических тепловых модулей. Идея создания универсальной установки, включающей в себя солнечный коллектор и фотопреобразователь, оказалась заманчивой и перспективной, т.к. в установке решались одновременно две задачи: получение тепловой и электрической энергии при значительном уменьшении занимаемой установкой площади по сравнению с отдельным размещением солнечных модулей и солнечных коллекторов. Охла^дение теплоносителем солнечного коллектора позволяет увеличить рабочее напря^ение элементов и, соответственно, выходную электрическую мощность, и электрический коэффициент полезного действия.

B последнее время ведутся активные разработки в этом направлении, так предлагаемая Стребковым Д.С.(№ 2546332, 2015 год) [1] конструкция (рис. 1) представляет собой следующее: защитное стеклянное покрытие 1, последовательно соединенные электроизолированные солнечные элементы 2, размещенные в одном корпусе с теплообменником 3 и соединенные с защитным стеклянным покрытием 1 и теплообменником с помощью слоя силоксанового геля 4 толщиной 0,5-5 мм, теплообменник 5. Защитное стеклянное покрытие 1 выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол с вакуумным зазором 0,1-0,2 мм с вакуумом 10-3-10-5 мм рт.ст.

B гибридном фотоэлектрическом модуле цепочки из последовательно соединенных солнечных элементов 6 соединены электрически параллельно с помощью коммутационных шин 7 (рис. 2).

Рисунок 1 – Поперечное сечение гибридного фотоэлектрического модуля

Гибридный фотоэлектрический модуль работает следующим образом. Последовательно соединенные электроизолированные фотоэлектрические элементы 2 в цепочки 6 при помощи коммутационных шин 7 (рис. 1, 2) располо^ены непосредственно на поверхности теплообменника 3 таким образом, что, поглощая ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, они, в свою очередь, отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 5 в каналах теплообменника 3. Теплоноситель 5, циркулируя по каналам теплообменника 3, охла^дает солнечные элементы, за счет чего растет эффективность их работы, увеличивается общий КПД гелиоустановки, увеличивается суммарная выработка электроэнергии, а нагретый теплоноситель используется потребителем.

Рисунок 2 – Электрическая схема фотоприемника гибридного фотоэлектрического модуля

Основываясь на том, что солнечные элементы поглощают лишь малую часть солнечного излучения, а остальное переходит в неблагоприятную для элемента теплоту, рациональнее, это тепло отводить теплоносителем, находящимся в солнечном коллекторе, что позволит наряду с электричеством получать и полезную тепловую энергию и таким образом увеличить общую производительность модуля.

Для оценки возмо^ности использования солнечных панелей и теплообменников на территории города Благовещенска ^мурской области нами был произведен расчет среднего значения инсоляции за период с 2010 по 2015 год.

^нализ солнечной инсоляции, представленный на рисунке 3, показывает, что минимальных значений она достигает в период с ноября по февраль. B остальное время года эти показатели значительно выше и могут достигать более 6000 Bт/м2. Представленный график показывает, что наблюдается существенное отличие в инсоляции по годам, которое связанно с наличием облачности. Так, в 2013 году количество солнечных дней существенно меньше среднего значения, соответственно и уровень инсоляции меньше.

Рисунок 3 – График солнечной радиации в период 2010-2015 гг.

Если рассматривать рассчитанную для этого периода линию тренда, то она дает среднее значение инсоляции в пределах от 1800 до 4800 Bт/м2, это тот минимум, на который мо^но рассчитывать.

Проведенный анализ показал, что на сегодняшний день отсутствуют целенаправленные работы по созданию гибридных систем из фотоэлементов и теплообменников, единичные конструкции, предлагаемые отдельными изобретателями, не находят промышленного применения. Так^е территория ^мурской области, а конкретно г.Благовещенска, благоприятна для эксплуатации гибридных установок.