Разработка и создание теплофотоэлектрических (ТФЭ) модулей (PVT modules в иностранной транскрипции) в настоящее время является одним из важнейших направлений развития солнечной энергетики в мире [1–4]. Целью этих работ является повышение эффективности преобразования солнечной энергии, за счёт снижения потерь поступающей солнечной энергии и, в конечном счёте, снижения себестоимости получаемой энергии.
В настоящей работе рассмотрены новые теплофотоэлектрические модули, включающие фотоприёмники и концентраторы, обеспечивающие эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.
Исследовано влияние натурных условий эксплуатации комплекса, состоящего из теплофотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения, охлаждаемыми фотоэлектрическими преобразователями, закреплёнными на системе протока треугольного профиля, и следящей системой. Разработана и исследована солнечная когенерационная установка на основе комплекс из четырёх теплофотоэлектрических модулей на экспериментальном стенде ВИЭСХ (рис. 1).
В табл. 1 представлены теплоэнергетические параметры комплекса из двух модулей при натурных испытаниях на стенде: Ec — мощность солнечного излучения, фиксируемая пиранометром «Пеленг СФ-6», Вт/м²; tвх и tвых — температуры на входе и выходе системы протока воды с расходом m* (отношение массы проточного теплоносителя m [кг/ч] ко времени τ), °C; ηт — тепловой КПД (КПИ) исследуемых модулей, %; m* — расход нагретой воды за восемь часов, кг/[м²·(8 ч)].
Геометрические размеры модуля задаются исходя из эффективности работы промышленно изготавливаемых фотопреобразователей с их минимальными размерами 6×3 см с концентраторами солнечного излучения с геометрической концентрацией Кг около десяти крат. Большие рабочие токи имеют большие потери в соединительных проводах. Тип и форма концентратора выбираются исходя из минимальной высоты модуля (35 см) при заданной концентрации — длина миделя концентратора (66 см), ширина (70 см) выбирается из количества последовательно соединённых фотопреобразователей (заданной величины рабочего напряжения — 12 В).
Выбранные габаритные размеры позволяют изготавливать модули без сложных приспособлений при изготовлении комплектующих деталей, выбирая материалы, обладающие минимальным весом и стоимостью, и несложными способами крепежа, обеспечивая надёжность и способность к юстировке фотоприёмника относительно фокусирующего солнечного излучения от концентратора при эксплуатации [5, 6].
В табл. 2 представлены теплоэнергетические параметры комплекса из четырёх теплофотоэлектрических модулей при натурных испытаниях на стенде ВИЭСХ. Энергия нагрева теплоносителя определяется в соответствии с разработанной формулой [7]:
В модуле с параболоцилиндрическим концентратором и фотоприёмником с треугольным профилем с неравномерным распределением температуры нагрева теплоносителя по объёму расчётная модель должна учитывать эти факторы, а также учитывать свойства теплопроводности λ и динамической вязкости η, величины которых зависят от температуры τ по профилю треугольного сечения системы протока.
Сравнительные расчётные и экспериментальные энергетические характеристики зависимости расхода от выходной температуры воды и параметры тепловых и теплофотоэлектрических модулей и комплексов показаны на рис. 2.
Расчёт зависимости расхода от выходной температуры нагрева воды — проводился с учётом теплопроводности λ и динамической вязкости η теплоносителя при различных температурах нагрева теплоносителя по профилю треугольного сечения системы протока. Зависимость расхода от выходной температуры нагрева воды нагрева по профилю прямоугольного сечения системы протока рассчитывалась без учёта этих параметров [8, 9]. При расчётах учитывались натурные условия — температура воздуха, скорость ветра.
Приведённые зависимости показывают, что эффективность разработанных модулей и их комплексов находится в пределах расчётных максимальной и минимальной эффективности единичных модулей. Это даёт основание для разработки установки на базе комплексов теплофотоэлектрических модулей с треугольным профилем сечения системы протока, повышая общую эффективность за счёт улучшения технологии изготовления комплектующих (концентраторов, фотоприёмников, сборки, юстировки).
Промышленно изготовленные модули типа TVP-200М фирмы Wiodun в представленных в проспектах технических характеристиках имеют предельное значение теплового КПД ηо = 60 %, при габаритных размерах 830 × 1400 × 20 мм, площади поверхности S = 1,3 м², весом 24 кг. При стандартной солнечной освещённости Ес = 1000 Вт/м² (АМ-1,5) предельное значение полезной тепловой мощности достигает Рт = 810 Вт, при максимальной разнице между входной и выходной температур Δt = 25 °C.
Фотоэлектрические параметры данного модуля PVT-200М при стандартных условиях измерения, то есть при солнечной освещённости Ес = 1000 Вт/м² (АМ-1,5) и температуре нагрева солнечных элементов tСЭ = 25 °C, и экспериментальных модулей (с перерасчётом вольтамперной характеристики в соответствии с площадью модуля PVT-200М) при различных геометрических концентрациях Кг представлены в табл. 3.
Вольтамперные характеристики представлены на рис. 3.
Приведённые параметры показывают, что при увеличении оптического КПД до ηопт = 0,8 КПД модуля ηмод = 18 % при однократном солнечном излучении и КПД модуля ηмод = 14,1 % при концентрированном излучении фотоэлектрические параметры разрабатываемых модулей практически совпадают с PVT-модулями.
Разрабатываемые солнечные модули концентрированного излучения для теплофотоэлектрических модулей с системой слежения по отношению к PVT-модулям стационарного типа имеют большую выработку энергии за счёт потока солнечной энергии падающего перпендикулярно на мидель концентратора в течение рабочего дня [10].
Выработку энергии солнечной батареей можно определять в соответствии с формулой:
Приведённые зависимости, представленные на рис. 4, характеризуют выработку нагретой воды соответственно итальянским и немецким PVT-модулями при условиях АМ-1,5 (Ес = 1000 Вт/м²), экспериментального модуля; модуля с концентратором с равномерным распределением солнечного излучения по поверхности фотоприёмника с оптическим КПД ηопт = 0,6; модуля с концентратором с равномерным распределением солнечного излучения по поверхности фотоприёмника с оптическим КПД ηопт = 0,8.
Расчётные и экспериментальные характеристики, представленные на рис. 5, показывают, что при КПД солнечных модулей (СМ) ηсм ≈ 18–20 % и ηoпт ≈ 0,8 разрабатываемых модулей в условиях 20 % облачности годовая выработка электроэнергии относительно стационарных PVT-модулей может быть увеличена до полутора раз.
На основании приведённых характеристик видно, что при коэффициенте полезного действия фотоприёмника ηфп ≈ 18– 20 % и оптического КПД ηопт ≈ 0,8 разрабатываемых модулей и системы слежения в условиях 20 % облачности годовая выработка электроэнергии относительно стационарных PVT-модулей может быть увеличена до полутора раз.
Анализ приведённых сравнительных характеристик показал, что применение зеркальных концентраторов с более высоким оптическим КПД (с 0,6 до 0,8), эффективных солнечных элементов (с КПД около 18–20 %), устойчиво работающих при концентрированном излучении в пределах десяти крат и усовершенствованной технологии сборки разрабатываемых модулей и установок относительно иностранных промышленно изготавливаемых гибридных модулей типа PVT-200M фирмы Wiodun имеет большую годовую выработку фотоэлектрической энергии в пределах 30 % и большую выработку тепловой энергии при 0,8Ес (20 % облачности) в 1,7 раз.
Выводы
Приведены результаты исследований фотоэлектрических и тепловых характеристик модулей с параболоцилиндрическим концентратором и фотоприёмником с неравномерным распределением температуры нагрева теплоносителя по объёму с учётом зависимости теплопроводности и динамической вязкости от изменения температуры по профилю треугольного сечения системы протока.
Проведённые расчёты тепловых и фотоэлектрических характеристик фотоприёмников подтверждались экспериментальными натурными исследованиями. Проведённые исследования показали целесообразность применения системы протока с профилем треугольного сечения. Технологические параметры (конструктивные размеры, применяемые материалы, способы юстировки, крепёж, регулировка расхода теплоносителя, измерения исследуемых параметров и характеристик) обосновывались с учётом весовых характеристик, стоимости, возможностей изготовления и исследований.
Изготовлены и исследованы физикоэнергетические характеристики теплои фотоэлектрических солнечных экспериментальных образцов комплекса модулей с различными типами приёмников концентрированного излучения в составе экспериментального стенда. Приведённые теоретические и экспериментальные зависимости показывают, что эффективность комплексов разработанных модулей находится в пределах максимальной и минимальной эффективности отдельных единичных модулей.
На основании приведённых сравнительных характеристик видно, что при применении концентраторов с более высоким оптическим КПД (с 0,6 до 0,8), применении эффективных (с КПД около 18–20 %) промышленно изготавливаемых солнечных элементов, устойчиво работающих при концентрированном излучении в пределах 10 крат, и усовершенствованной технологии сборки разрабатываемых модулей и установок в целом, относительно модуля типа PVT-200M, фирмы Wiodun, он имеет большую годовую выработку фотоэлектрической энергии до 30 % и большую выработку тепловой энергии при 0,8Ес (20 % облачности) в 1,7 раз. Это даёт основание для разработки установки на базе комплексов теплофотоэлектрических модулей, повышая общую эффективность за счёт улучшения технологии изготовления комплектующих (концентраторов, фотоприёмников, сборки, юстировки), предназначенной для снабжения электроэнергией, горячей водой и теплом автономных потребителей.
