Технические науки/5. Энергетика

Д.ф.-м.н. Слипченко Н.И., к.т.н. Письменецкий В.А., асп. Глушко Е.С., к.т.н. Герасименко М.В.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Украина

Применение фоклинных концентраторов для повышения эффективности солнечных модулей

Основной проблемой, препятствующей ускоренному внедрению в наземную энергетику солнечных энергетических установок, является низкий КПД и высокая стоимость фотопреобразователей (ФЭП) [1]. Одним из основных путей снижения себестоимости солнечных модулей является использование концентрирующих систем разных типов. Ввиду низкой стоимости и простоты изготовления для последующих исследований был выбран плоский концентратор типа – фоклин. Схема и изображение макета приведены на рисунке 1.

а) б)

Рис. 1- Схематическое изображение плоского концентратора: а - схема распространения лучей в концентраторе; б - основные элементы фоклинного концентратора.

В рассматриваемой нами системе, концентратор солнечного элемента состоит из отражателей солнечного света, установленных по одному с обеих сторон кристалла (рис. 1, б). Отраженный поток от отражателя падает на кристалл, а размеры отражателя определяются коэффициентом концентрации светового потока.

На рис. 1, б представлены основные элементы концентратора, в частности: 1 - отражательный концентратор из фольги алюминия толщиной 100 мкм; 2 — кристалл монокремния 20х40 мм и высотой (толщиной) 200 мкм; 3 — алюминий-полиимидный диэлектрик, толщина алюминия 30 мкм, полиимида — 20 мкм; 4 — теплоотводящее основание из алюминия толщиной 300 мкм.

Для режима однократного отражения (n=1), угол наклона и длину отражающих поверхностей рассчитываем по формулам:

(1)

Используя данные соотношения находим значения угла α_z, и значение длины отражателя L_z при заданном коэффициенте концентрации. Результаты расчетов представлены на рис. 2, где показана зависимость угла наклона α_z от параметра (рис. 2, а) и длины отражателей L_z от параметра (рис. 2, б).

а) б)

Рис. 2 - Зависимость размеров плоского концентратора от коэффициента концентрации: а - зависимость угла наклона α_z от параметра ; б - зависимость длины отражателей L_z от параметра .

Можно сделать вывод, что с ростом параметра увеличивается длина отражателя L_z и угол его наклона α_z. В результате увеличиваются габаритные размеры концентраторной системы в целом.

Далее проанализируем температуру ФЭП в зависимости от коэффициента концентрации и температуры окружающей среды. Оценку температуры ФЭП выполним при помощи соотношения:

(2)

где - нормативная относительная излучательная способность, равная 1; - нормативный КПД ФЭП, принятый равным 17%; - постоянная Стефана-Больцмана; - температура фотопреобразователя; - температура окружающей среды.

При помощи соотношения (2) выполнены расчеты температуры фотопреобразователя с учетом коэффициента концентрации и температуры окружающей среды . На рис.3, а представлены зависимости температуры ФЭП от коэффициента концентрации светового излучения при разных температурах окружающей среды. Как и следовало ожидать, с увеличением температуры окружающей среды повышается температура кристалла ФЭП. Соответственно с увеличением концентрации светового потока температура ФЭП также возрастает.

а) б)

Рис. 3. Зависимость температуры ФЭП от коэффициента концентрации (а) и температуры окружающей среды (б).

На рис. 3, б представлены зависимости температуры ФЭП от температуры окружающей среды при разных кратностях концентрации солнечного излучения. Приведенные температурные зависимости позволяют при заданной максимальной температуре кристалла (например, 100ºС) и температуре окружающей среды (например, 30ºС) оценить допустимое значение коэффициента концентрации, которое составляет 1,5. Таким образом, дальнейшее увеличение параметра требует обеспечения теплоотвода от кристалла ФП.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

Концентрирование солнечного излучения является эффективным решением снижения стоимости солнечных модулей за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов и повышения КПД фотопреобразователей за счет увеличения кратности концентрации светового потока. Использование фоклинных концентраторов с плоскими отражающими поверхностями позволяет относительно просто увеличить плотность светового потока в 1,5 – 2,8 раза и соответственно эффективность фотопреобразования.

Для обеспечения теплового режима кристалла ФЭП с учетом температуры окружающей среды и заданном коэффициенте концентрации необходимо вводить дополнительные конструктивные элементы, обеспечивающие теплоотвод.

Литература:

1. Стребков, Д. С. Концентраторы солнечного излучения [Текст] / Д. С. Стребков. – М. : ГНУ ВИЭСХ, 2007. – 316 с.

2. Андреев, В. М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения [Текст] / В. М. Андреев, В. А. Грилихес, В. Д. Румянцев. – Л. : Наука, 1989. – 310 с.

3. Кувшинов, В. В. Разработка концентраторов для фотоэлектрических и комбинированных солнечных установок на основе боковых отражающих поверхностей [Текст] / В. В. Кувшинов // Сб. научн. тр.СНУЯЕтаП. – 2010. – Вып. 32. – С. 174-181.