Приусадебная солнечная электростанция с охлаждаемыми фотоэлектрическими модулями

Введение. На территории Европы солнечная энергетика является самым быстроразвивающимся направлением в области возобновляемых источников энергии. Солнечные фотоэлектрические электростанции, даже обладая низким КПД, имеют целый ряд преимуществ перед традиционными источниками электроэнергии и уже сейчас являются конкурентоспособ ными [1-5]. Эффективность работы солнечных электростанций (СЭС) в значительной степени определяется КПД фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и существенно зависит от их температуры.

В результате многолетней модернизации структуры ФЭП было достигнуто наивысшее значение КПД - 24% (рисунок 1) [6]. В качестве наиболее вероятных материалов для изготовления ФЭП рассматриваются кремний и арсенид галлия. При нагреве ФЭП на один градус сверх 25 °C он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4%/градус. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70 °C, теряя 0,07-0,09 В каждый [6]. Это и является основной причиной снижения КПД, который приводит к падению напряжения, генерированного каждым ФЭП [6-9]. Для расши рения внедрения СЭС необходимо повышение КПД ФЭП и снижение их себестоимости [9].

Целью статьи является обоснование и разработка эффективной схемы приусадебной СЭС с использованием запатентованного нами фотоэлектрического модуля (ФЭМ) цилиндрической формы с жидкостным охлаждением [11].

годы

Рисунок 1 - Эволюция эффективности ФЭП (%)

Методика иследований. Известен солнечный фотоэлектрический модуль цилиндрической формы Solyndra (от английских слов «солнечный» и «цилиндр»), который содержит две стеклянных трубки. Трубка меньшего диаметра покрыта тонкой пленкой полупроводникового материала и помещена в такую же трубку большего диаметра [10]. Такая форма позволяет увеличить количество поглощенного света (а следовательно, и электроэнергии) на протяжении дня без изменения положения конструкции фотомодуля [9].

В Таврическом государственном аг-ротехнологическом университете разработано и запатентовано несколько конструкций ФЭМ цилиндрической формы. Анализ разработок [10] показал, что для приусадебной СЭС наиболее приемлемым является ФЭМ цилиндрической формы с охлаждающей жидкостью, например, водой [И].

Техническая сущность полезной модели объясняется графическим материа лом. На рисунке 2 изображена структурная схема разработанной приусадебной СЭС [10] с ФЭМ цилиндрической формы [И].

Запатентованная нами приусадебная СЭС содержит батарею 1 из нескольких ФЭМ 2 цилиндрической формы, объединенных общим охладительным коллектором 3, аккумулятор 4, контроллер 5, инвертор 6. Потребители постоянного тока 7 присоединены к выходу контроллера непосредственно, а потребители переменного тока 8 присоединены через инвертор 5 [12].

Объединение ФЭМ 2 в батарею 1 с общим охладительным коллектором 3 увеличивает производительность СЭС при повышенном КПД. Наличие контроллера 5 обеспечивает управление процессом заряда-разряда аккумулятора 4 и питание электроприемников 7 постоянного тока, наличие инвертора 6 обеспечивает питание электроприемников 8 переменного тока.

На рисунке 3 представлены продольный и поперечный разрезы солнечного ФЭМ цилиндрической формы [И].

Рисунок 2 - Схема приусадебной СЭС

Рисунок 3 - Фотоэлектрический модуль цилиндрической формы (Пат. UA)

Солнечный ФЭМ цилиндрической формы [11] содержит две стеклянных трубки 9, 10, соединенные между собой по типу сосуда Дьюара. Внутренняя трубка 9 покрыта тонкой пленкой полупроводниковых ФЭП Ии коаксиально, с зазором, помещена во внешнюю прозрачную стеклянную трубку 10 большего диаметра с электрическими гермоконтактами (не показанными), похожими на те, которые используются в люминесцентных лампах. Ваку умная полость 12 между стеклянными трубками 9, 10 обеспечивает теплоизоляцию полупроводниковых ФЭП 11 от конвекционного нагрева за счет окружающей среды. Пространство внутренней стеклянной трубки 9 наполнено охлаждающей жидкостью 13, например, водой, с общим коллектором 3.

Приусадебная СЭС из ФЭМ цилиндрической формы работает следующим образом [12]. Батарея 1 из ФЭМ 2 установле- на на крыше здания под углом к горизонту, равным географической широте местности. Солнечный свет свободно проходит через внешнюю прозрачную трубку 10, изготовленную из крепкого боросиликатного стекла, которое обеспечивает пропуск волн солнечной радиации в диапазоне 0,42,7 мкм, и попадает на ФЭП И, расположенные на внутренней стеклянной трубке 9 меньшего диаметра, которые генерируют электрическую энергию. ФЭП 11 изготовлены из полупроводникового материала, который можно наносить тонкой пленкой непосредственно на стекло.

Такая конструкция ФЭМ 1 обеспечивает увеличение количества поглощенного света (а следовательно, и количества генерированной электроэнергии) на протяжении дня, без изменения его положения.

На поверхность ФЭМ 1 цилиндрической формы свет попадает под прямым углом в виде трех составляющих: прямого света, рассеянного света и отбитого света от поверхности, на которой расположен ФЭМ 1. Солнечный свет, который попадает на ФЭМ 1, вызывает нагрев ФЭП И (Q1, Q2 на рисунке 3), а охлаждающая жидкость 13, отбирая тепло Q3, снижает рабочую температуру ФЭП 11, чем обеспечивает увеличение его КПД, и по принципу термосифона поступает к верхней части коллектора 3.

Если в качестве охлаждающей жидкости 13 используется вода, то после подогрева она может использоваться для хозяйственных потребностей, например, для орошения растений, для душа, мытья посуды и т.п., а к нижней части охладительного коллектора будет поступать свежая вода из водопровода.

Выводы. Предложенная схема приусадебной СЭС с использованием запатентованного нами фотомодуля, охлаждаемого жидкостью, характеризуется высоким КПД при относительно низкой стоимости. Использование воды в качестве охлаждающей жидкости позволяет охладительный контур выполнить открытым, а подогретую воду использовать для хозяйственных потребностей, например, для орошения растений, для душа, мытья посуды и т.п.