Оптимизация конструкции фотоэлектрического теплового модуля

Введение. Фотоэлектрический модуль позволяет выработать только 14 – 19 % от всей приходящей на него солнечной энергии. Оставшаяся часть энергии рассеивается в окружающее модуль пространство в виде теплоты [1]. Для повышения эффективности использования приходящей на модуль энергии, группируют фотоэлектрическую панель (чаще несколько панелей) и солнечный коллектор. Таким образом, получается установка, которая называется ФЭТМ. ФЭТМ осуществляет преобразование энергии, которая падает на поверхность модуля посредством солнечных лучей, в энергии электрическую и тепловую.

Проведение теплового анализа моделированного фотоэлектрического теплового модуля в программном комплексе ANSYS

В общем виде схема отбора тепла от солнечного коллектора приведена рис. 1 [2].

Рисунок 1 – Схема нагрева теплоносителя с применением абсорбера.

Как видно из рис. 1, теплоноситель из солнечного коллектора поступает в бойлер, где происходит, нагрев воды. Теплоноситель солнечного коллектора заключен между ФЭМ и корпусом солнечной панели. Чем выше температура теплоносителя, выходящего из солнечного коллектора, тем выше температура нагреваемой воды, а, следовательно, и его эффективность [3].

Рассмотрим параметры, влияющие на эффективность солнечного коллектора. В настоящее время выделено три основных параметра:

• 1)    оптические потери. Они обусловлены отражением от стекла, которое покрывает солнечный коллектор. Их величина может быть принята постоянной, так как она не зависит ни от температуры самого солнечного коллектора, ни от условий окружающей среды;

• 2)    конвекционные тепло потери. Под действием солнечных лучей, которые абсорбируются на поверхность коллектора, нагревая ее, происходит и отвод их в окружающую среду. Эти потери называются также линейными (линеарные);

• 3)    потери излучением. Так как температура поверхности коллектора всегда выше, чем температура окружающей среды, то с его поверхности происходит постоянный отвод тепловой энергии посредством излучения. Этот вид теплопотерь зависит от разности температур нагретого коллектора и окружающей среды.

На рис. 2 и 3 приведены графики описанных выше тепловых потерь эффективности различных типов солнечных коллекторов.

Рисунок 2 – Графики тепловых потерь солнечного коллектора.

Рисунок 3 – Графики эффективности различных типов солнечных коллекторов.

Как видно из представленных выше графиков, наибольшей эффективностью является солнечный коллектор с вакуумной трубкой, конструкция которой позволяет снизить тепловые потери, за счет плохой теплопроводности вакуума [4].

В общем случае тепловая мощность солнечного коллектора может быть описана следующей зависимостью:

Q к = Л • [/ к -11 ₀ - К к • (Т т 1 - Т в )]                           (

2.14)

где A – площадь поверхности;

Iк – площадь потока солнечной радиации, которая поступает на поверхность коллектора;

• ?7₀ - эффективный оптический КПД солнечного коллектора;

2.15)

К к - общий коэффициент теплопотерь солнечного коллектора;

Т т ₁ - температура теплоносителя на входе в солнечный коллектор;

Т в - температура окружающего воздуха.

Общий коэффициент теплопотерь солнечного коллектора может быть выражен, как:

К = « 1 + «₂ • (Т т 1 - Т в )]                           (

где а₁ - коэффициент теплопотерь над поверхностью абсорбера;

а₂ - коэффициент тепловых потерь через теплоизоляцию под абсорб ером.

Тепловой поток, который проходит через плоскую стенку корпуса абсорбера будет равен:

Л q = £ • (Тт 1 - в))]

(2.16)

где Л - коэффициент теплопроводности корпуса абсорбера;

δ - толщина стенки корпуса абсорбера.

Если стенка является многослойной, то тепловой поток будет равен:

q =

(Тт 1 — Тв)

и

^L = S t

(2.17)

где i – количество слоев в стенке, через которую проходит тепловой поток;

Т т ₁ - температура жидкости внутри абсорбера;

Т_в - температура воздуха вокруг абсорбера.

В качестве мероприятия по модернизации конструкции теплового абсорбера, представленного на рис. 2.10, предлагается исследовать, влияние его материального исполнения и применение теплоизоляции различных видов на тепловой поток, выходящий из абсорбера в окружающую среду в процессе конвективного теплообмена [5].

Определим тепловой поток, который передается в окружающую среду через корпус абсорбера (плоскую стенку) для трех случаев:

• 1)    Корпус абсорбера выполнен из полимера – вариант №1;

• 2)    Корпус абсорбера выполнен из стали – вариант №2;

• 3)    Корпус абсорбера выполнен из полимера и теплоизоляции из пенополиуретана – вариант №3;

• 4)    Корпус абсорбера выполнен из стали и теплоизоляции из пенополиуретана – вариант №4;

• 5)    Корпус абсорбера выполнен из полимера и теплоизоляции из сферопластиков – вариант №5;

• 6)    Корпус абсорбера выполнен из стали и теплоизоляции из сферопластиков – вариант №6.

Как известно, теплоизоляция препятствует тепловому потоку, в виду низкого коэффициента теплопроводности. Ее используют для сохранения тепловой энергии тела. В настоящее время разработано много различных видов теплоизоляции [6]. Наиболее эффективной в настоящее время является теплоизоляция на основе сферопластиков. Сферопластики – это разновидность полимерной композиции, в которой в качестве ее наполнителя применяются стеклянные и/или полимерные микросферы, имеющие диаметр 0,5 – 200 мкм. В состав сферропластиков могут входить кварц, оксид цинка, диоксид титана, вода, полимеры с содержанием акрила [7].

Основными преимуществами сферопластиков являются:

• •       низкая теплопроводность, в сравнении с аналогами;

• •       высокие прочностные характеристики;

• •    низкая плотность, которая обуславливает низкий вес обработанных конструкций;

• •    эксплуатация в широком диапазоне рабочих температур;

• •    сохранение высоких механических свойств конструкций [8].

В таблице 2.5 приведены основные расчетные параметры, которые были приняты для исследования теплового потока от корпуса абсорбера. Как видно из таблицы 2.5, основными расчетными величинами являются толщина стенки материала и коэффициент его теплопроводности, входящие в формулу (2.17).

Таблица 1– Расчетные данные

Значения	Вариан т №1	Вариан т №2	Вариан т №3	Вариан т №4	Вариан т №5
Теплопроводност ь стали, Вт/м*К	-	50	-	50	-
Теплопроводност ь полимера (ПВХ), Вт/м*К	0,168	-	0,168	-	0,168
Теплопроводност ь пенополиуретана , Вт/м*К	-	-	0,028	0,028	-
Теплопроводност ь сферопластика, Вт/м*К	-	-	-	-	0,001
Толщина стенки стали, мм	-	6,0	-	6,0	-
Толщина стенки полимера (ПВХ), мм	6,0	-	6,0	-	6,0
Толщина стенки пенополиуретана , мм			1,0	1,0

Продолжение таблицы 1

Толщина стенки сферопластика, мм					1,0
Температура теплоносителя в абсорбере, 0С	+55	+55	+55	+55	+55
Температура воздуха, 0С	+20	+20	+20	+20	+20

Определим тепловой поток для вариантов №3 и №5 по формуле (2.17).

Для варианта №3:

0,168     0,028

• <7 =        + Г"^) • (328 - 293) = 490 Вт/м2

6 • 10 3    1 • 10 3

Для варианта №5:

0,168     0,001

• <7 =        + Г"^) • (328 - 293) = 33,79 Вт/м2

6 • 10 3    1 • 10 3

В таблице 2.6 приведен расчет теплового потока для всех 6-ти вариантов, исходные данные для которых представлены в таблице 2.6.

Таблица 2 – Значения теплового потока через стенку корпуса абсорбера

Значения	Вар.№ 1	Вар.№ 2	Вар. №3	Вар. №4	Вар. №5	Вар. №6
Тепловой поток, Вт/м2	980	291666	490	977	33,79	34,99

Как показывают результаты расчетов, наименьшее значение теплового потока, которое предается в окружающую среду через корпус абсорбера, в котором находится теплоноситель, свойственно варианту №5, в котором корпус выполнен из поливинилхлорида, а стенки его покрыты теплоизоляцией на основе сферропластика (например, покрытие Thermal Coat). На рис. 2.14 приведена зависимость теплового потока от температуры окружающей среды для 4-х вариантов. Вариант №2 не показан, как заведомо не применимый [9].

В таблице 2.7 представлено изменение теплового потока в зависимости от температуры окружающей среды для указанных выше 5-ти вариантов.

Таблица 3 – Зависимости теплового потока от температуры окружающей среды для указанных выше 5-ти вариантов.

Значения	Вариан т №1	Вариан т №2	Вариан т №3	Вариан т №4	Вариан т №5	Вариан т №6
Тепловой поток, Вт/м2 при температур е окружающе й среды, 0С
+15	1120	333333	560	1116	38,62	39,99
+10	1260	375000	630	1256	43,44	44,99
+5	1400	416666	700	1395	48,27	49,99
0	1540	458333	770	1535	53,10	54,99

Рисунок 4 – Изменение теплового потока в зависимости температуры окружающей среды.

В программном комплексе ANSYS Fluent было смоделировано распространение теплового потока в стенке корпуса абсорбера с использованием корпуса из ПВХ, а также с применением теплоизоляции из пенополиуретана, нанесенной на корпус из ПВХ и с применением теплоизоляции на основе сферопластиков, также нанесенную на корпус из ПВХ. Результаты моделирования приведены на рис. 2.16 [10].

а) вариант №1

б) вариант №3 в) вариант №5

Рисунок 5 – Распределение теплового потока стенке и на поверхности корпуса абсорбера.

Заключение.

В соответствии с проведенным исследованием, можно заключить, что в настоящее время фотоэлектрические модули, предназначенные для производства электрической и тепловой энергии, весьма популярны во всем мире. Это связано с доступностью солнечной энергии, безотходностью производства вырабатываемой энергии, сравнительно низкими затратами на оборудование. Однако, большим недостатком фотоэлектрических модулей является их низкий КПД и большие потери тепла при передаче его теплоносителю и далее контуру горячего водоснабжения [11].

Как показывают проведенные исследования, для снижения тепловых потерь через корпус абсорбера рекомендуется выполнять его с применением теплоизоляции, в качестве которой целесообразно использования новый вид – на основе сферропластиков.

Не смотря на большие различия в теплопроводности стали и поливинилхлорида, тепловой поток практически равен друг другу при нанесении на эти материалы сферопластика толщиной 1,0 мм.

Следовательно, при невозможности применимости стали для корпуса абсорбера в виду ее высокой теплопроводности, она становится практически идентичной ПВХ при условии применения теплоизоляции из сферропластиков.

Таким образом, сферопластики можно рекомендовать для применения в качестве теплоизоляции фотоэлектрических модулей [12].

Sciences, center FNAC VIM, Moscow, Russia

Keyword: intelligent power grid, multi-contact switching systems, power supply reliability, SMART GRID, smart systems, smart grid concept.