Фотоэлектрические солнечные модули для автономного тепло- и электроснабжения. Открытый доступ
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде БУМАГА • ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП Фотоэлектрические солнечные модули для автономного тепло- и электроснабжения Для цитирования этой статьи: В Панченко 2019 ИОП конф. Сер.: Земная среда. науч.317012002 Посмотреть статья онлайн для обновлений и улучшений. Этот контент был загружен с IP-адреса 181.214.18.92 22/08/2019 в 14:06. Перевод: английский - русский - www.onlinedoctranslator.com Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 Фотоэлектрические солнечные модули для автономного тепло- и электроснабжения ВПанченко Кафедра теоретической и прикладной механики, Российский университет транспорта, Москва, Россия Лаборатория солнечной энергии, Федеральный научный агроинженерный центр «Вим», Москва, Россия Электронная почта: pancheska@mail.ru Абстрактный.В статье представлены солнечные модули различных типов и конструкций, в разработке и исследовании которых принимал участие автор. Наряду с планарными фотоэлектрическими солнечными модулями с увеличенным сроком номинальной мощности рассматриваются высоковольтные матричные солнечные модули с увеличенным сроком номинальной мощности и электрическим КПД до 28%. Такие модули изготавливаются с помощью технологии герметизации полисилоксановым компаундом, что улучшает работу солнечных модулей и увеличивает срок их службы. Для автономного питания мобильных и компактных электроприборов в полевых условиях предложены складные и секционные солнечные модули, которые при параллельно-последовательном включении позволяют набирать необходимую мощность. Для архитектурных решений представлены солнечные кровельные панели, которые наряду с электрогенерацией позволяют вырабатывать тепловую энергию, а основание может быть выполнено из переработанного пластика, что положительно влияет на окружающую среду. Для уменьшения количества используемых солнечных элементов предложена концентрирующая солнечная кровельная панель, позволяющая использовать тепловую энергию. Для когенерации электрической и тепловой энергии также предлагается концентраторный солнечный фотоэлектрический тепловой модуль с концентратором параболоидного типа. Каждый тип солнечных модулей используется в стационарном тепло- и электроснабжении и мобильной электроэнергетике. Для когенерации электрической и тепловой энергии также предлагается концентраторный солнечный фотоэлектрический тепловой модуль с концентратором параболоидного типа. Каждый тип солнечных модулей используется в стационарном тепло- и электроснабжении и мобильной электроэнергетике. Для когенерации электрической и тепловой энергии также предлагается концентраторный солнечный фотоэлектрический тепловой модуль с концентратором параболоидного типа. Каждый тип солнечных модулей используется в стационарном тепло- и электроснабжении и мобильной электроэнергетике. 1. Введение Солнечная энергия на сегодняшний день является наиболее широко используемым из всех существующих возобновляемых источников энергии. При этом фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии, являясь наиболее экологически чистым способом получения электроэнергии, получило самое широкое распространение как для работы в сети, так и для электроснабжения автономных, удаленных потребителей. В связи со столь широким применением этого способа получения электроэнергии во всем мире ведется поиск путей дальнейшего повышения эффективности как солнечных элементов, так и модулей существующих типов, а также поиск новых конструкций и технологических приемов повышения эффективности фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. излучение. Проводится большой объем работ в направлении увеличения ресурса как ячеек, так и модулей в целом, поиска новых конструктивных решений и новых материалов. Сегодня, Федеральный исследовательский агроинженерный центр ВИМ на протяжении нескольких десятков лет ведет исследования, производство и испытания солнечных модулей различных конструкций для автономного электроснабжения потребителей. Контент из этой работы может быть использован в соответствии с условиями Лицензия Creative Commons Атрибуция 3.0 . Любое дальнейшее распространение этой работы должно поддерживать указание автора (авторов) и название работы, цитирование в журнале и DOI. Публикуется по лицензии IOP Publishing Ltd. 1 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 Каждый тип солнечных модулей находит свое применение как в автономном электроснабжении потребителей, так и в мобильном электроснабжении. 2. Солнечные фотоэлектрические модули с увеличенным сроком службы Солнечные фотоэлектрические модули с увеличенным сроком службы, выпускаемые в Федеральном научном агроинженерном центре ВИМ (Москва, Россия), предназначены для солнечных электростанций и отличаются увеличенным сроком службы по сравнению со стандартными многослойными модулями. Срок номинальной мощности модулей увеличен с 20–25 до 40–50 лет за счет применения двухкомпонентного полисилоксанового компаунда на силиконовой основе, за счет которого также увеличивается выработка вырабатываемой электроэнергии. Солнечные модули выпускаются в четырех основных формах с солнечными элементами размером 125×125 мм (156×156 мм опционально) и полисилоксановым наполнителем. Мощности обычно выпускаемых фотоэлектрических солнечных модулей варьируются от 15 до 150 Вт при рабочем напряжении 12 или 24 В (рис. 1) [1]. Фигура 1.Солнечные модули с увеличенным сроком службы Вольт-амперная характеристика солнечного модуля представлена на рисунке 2. Фигура 2.Вольт-амперная характеристика солнечного модуля с кремнийорганическим двухкомпонентным полисилоксановым компаундом 2 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 В результате продолжающихся исследований и испытаний: - технология изготовления (герметизации) солнечных модулей методом заливки двухслойным отработан компонентный состав; - разработана и изготовлена установка для автоматизации процесса капсулирования; - выпускаемые модули имеют малые оптические потери, минимальные внутренние механические напряжения, хорошие вибропоглощение, высокая стойкость к температурному, ультрафиолетовому и озоновому разложению, возможность использования с концентраторами, увеличенный срок службы. 3.Солнечные панели на крыше Одним из вариантов архитектурных решений электроснабжения жилого дома являются солнечные модули, встроенные в само кровельное покрытие, то есть так называемая кровельная солнечная панель или «солнечная черепица». Его использование исключается известным недостатком солнечных модулей, получивших сейчас широкое распространение: необходимость устройства кровли под солнечным модулем для защиты зданий от внешних воздействий, что удорожает отделочные работы. Разработанный модуль представляет собой кровельный материал, сочетающий в себе как защитную функцию здания, так и энергетическую. При использовании солнечной плитки решаются архитектурно-строительные задачи и автономное или параллельное с сетью электроснабжение потребителя (рис. 3) [2, 3]. Рисунок 3.Кровельные солнечные панели двух типов с увеличенным сроком службы Вольт-амперная характеристика солнечной плитки планарной конструкции с кремнийорганическим двухкомпонентным полисилоксановым компаундом в натурных условиях представлена на рис. 4 (слева). Вольт- амперная характеристика солнечных плит концентраторной конструкции с кремнийорганическим двухкомпонентным полисилоксановым компаундом в натурных условиях представлена на рис. 4 (справа). Рисунок 4.Вольт-амперные характеристики солнечной плитки планарной конструкции (слева) и конструкции концентратора (справа) с кремнийорганическим двухкомпонентным полисилоксаном компаунд в натурных условиях В производстве плитки используются переработанные материалы (пластиковые бутылки или стрейч-пленка) и связующие вещества, что удешевляет производство и благоприятно влияет на окружающую среду. Солнечная плитка также 3 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 включает солнечные элементы в полисилоксановом компаунде, увеличивающем срок их номинальной мощности до 40– 50 лет и работающие совместно с дополнительно установленным концентратором, что снижает стоимость солнечного модуля за счет экономии высококачественного кремния. В дополнение к плитке концентратора установлена оптическая система отклонения для увеличения работы в течение дня. 4. складнойссолнечные модули Зарядка компактных электроприборов является актуальной проблемой при невозможности подключения к централизованной электросети. Для мобильных потребителей в Федеральном научном агроинженерном центре «ВИМ» производятся компактные переносные солнечные модули, которые предназначены для питания малогабаритных электроприборов с параметрами зарядки 5 В, 0,5 А (стандарт USB) и более в пропорции, позволяющей обеспечить электропитание в стационарном режиме. одиночный режим и прямое подключение без переходников и стабилизаторов для мелкой электроаппаратуры (при использовании стабилизаторов и преобразователей спектр источников питания увеличивается) (рис. 5) [4]. Рисунок 5.Складные и секционные солнечные модули Конструкция секционного солнечного модуля в виде плоского планшета унифицирована и расширяет круг потенциальных потребителей при последовательно-параллельном включении. Складные и секционные солнечные модули изготавливаются с различными вариантами внешней отделки, стандартными параметрами USB и возможностью переключения секционных солнечных модулей. Вольт-амперная характеристика складного солнечного модуля представлена на рисунке 6. Рисунок 6.Вольтамперная характеристика складного солнечного модуля 4 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 Параметры складного солнечного модуля (стандарт зарядки USB 5 В и 2 А (10 Вт)) приведены в таблице 1. Таблица 1.Параметры складного солнечного модуля Индикатор Электроэнергия Размеры модуля Вес модуля Срок службы Стоимость модуля Ед. изм Вт мм кг годы доллар Ценность 10 350 × 165 × 7 0,4 5–15 50 5.Высоковольтные матричные солнечные модули Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства, который продолжает Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ на основе многолетних исследований под руководством академика РАН, профессора Д. Стребкова, матричные солнечные батареи третьего поколения элементы на основе кремния с КПД до 28% разработаны для преобразования концентрированного солнечного излучения с концентрацией более 100 раз [5]. Такая конструкция солнечных элементов устраняет ряд недостатков стандартных солнечных элементов. В результате проведенных исследований удалось разделить пространственно освещенную поверхность солнечного элемента на область генерации носителей заряда и область p-n-перехода, отвечающую за разделение и сбор носителей заряда. В этом случае площадь легированного слоя и pn-перехода на поверхностях солнечного элемента уменьшается в 10 раз, а 90% площади поверхности резервируется для генерации электронно-дырочных пар при непосредственном взаимодействии фотонов. солнечного излучения с базовой областью солнечного элемента. Это было сделано за счет использования кремниевого матричного солнечного элемента с линзой Френеля в фотоэлектрическом модуле в качестве концентратора [5]. Получены солнечные элементы с параметрами, не имеющими аналогов в мире. Электрическая мощность 1 Вт/см 2 (10 кВт/м 2 ), что в 50 раз превышает мощность солнечной батареи с КПД 20% при стандартной освещенности 1 кВт/м 2 и температуре 25°С. Для автономного питания потребителей с высоким напряжением постоянного тока (1000 В и более) и повышенным коэффициентом преобразования солнечной радиации в электроэнергию Федеральным научным агроинженерным центром «ВИМ» разработаны двусторонние высоковольтные матричные солнечные модули напряжением более 1000 В (рис. 7) [6, 7]. Такие солнечные модули используются с бестрансформаторными инверторами и подключаются к высоковольтным линиям постоянного тока без преобразовательных подстанций, имеют повышенную удельную электрическую мощность, КПД (до 28%), срок службы (до 40–50 лет), потребление солнечной энергии. сорт кремния снижается. Конструкцию высоковольтных солнечных модулей можно масштабировать, увеличивая тем самым ток или напряжение. При напряжении 1000 В и токе 6 мА размеры модуля составляют 703 мм × 105 мм × 17 мм. Рисунок 7.Высоковольтный матричный солнечный модуль напряжением 1000 В Вольт-амперная характеристика высоковольтного матричного солнечного модуля представлена на рисунке 8. 5 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 Рисунок 8.Характеристика напряжения тока высоковольтного матричного солнечного модуля напряжением 1000 В Высоковольтный солнечный модуль с двусторонней рабочей поверхностью выполнен в виде матрицы коммутируемых миниатюрных солнечных элементов, и разработан специально для работы с солнечными концентраторами, с помощью которых повышен КПД модуля, а также высокий КПД. сохраняется даже при повышении температуры на 60 °С и более, что упрощает систему охлаждения модулей, ток модуля растет пропорционально концентрации, а при использовании теплоносителя также возможен отвод тепловая энергия. 6. Солнечные модули с концентраторами параболоидного типа. Для фотоприемников на основе высоковольтных матричных солнечных модулей разработаны оригинальные солнечные концентраторы параболоидного типа, профиль поверхности которых обеспечивает равномерную засветку поверхности фотоприемника (рис. 9) [8–11]. Рисунок 9.Солнечный фотоэлектрический тепловой модуль с концентратором параболоидного типа В ходе экспериментов исследовалась концентраторная солнечная фотоэлектрическая тепловая установка с концентраторами параболоидного типа и различными солнечными элементами (односторонними, двусторонними, тонкими, матричными). Повышение температуры и концентрация солнечного излучения не так сильно влияют на КПД матричных СЭ, как КПД планарных СЭ, ВАХ имеют прямоугольную форму (рис. 10). Можно увеличить концентрацию при достаточном охлаждении и, соответственно, увеличить КПД и выходную электрическую мощность. 6 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 На основании проведенных исследований показано, что планарные солнечные элементы разных групп снижают эффективность при увеличении концентрации солнечного излучения и без охлаждения. КПД матричных солнечных модулей при работе с концентратором без учета оптических потерь увеличивается с 9,5% до 12,3%, что свидетельствует о целесообразности использования матричных солнечных модулей в фотоэлектрической тепловой системе с концентраторами параболоидного типа. Рисунок 10.Вольт-амперные характеристики группы матричных солнечных элементов при различных условиях освещения и охлаждения Тепловые характеристики поверхностей радиаторов, поверхности солнечных элементов, расход воды и ее температура на выходе при освещении двумя концентраторами диаметром 0,6 м и 1 м с водяным охлаждением представлены на рис. солнечных элементов в начале эксперимента составляла 78 °С без водяного охлаждения, а температуры верхней и боковой частей радиатора составляли 150 °С и 105 °С соответственно. При расходе воды 1,5 л/мин температура воды на выходе составляла 42 °С. При снижении скорости потока до 0,5 л/мин температура составляла 38 °С. Средняя концентрация вдоль боковой поверхности фотоприемника составила около 7 раз. Концентрация на верхней поверхности ресивера составила 23 раза. Рисунок 11.Температуры боковых и верхней поверхностей излучателя при освещении двумя концентраторами и с водяным охлаждением 7 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 Технология изготовления высоковольтных матричных солнечных модулей адаптирована к условиям промышленного производства, в ней не используются такие трудоемкие операции, как многостадийная диффузия, фотолитография, экранирование, вакуумная металлизация, а также использование серебра для изготовления контактов. Исключенный. В результате продолжающихся исследований и испытаний: - достигнута эффективность фотопреобразования 28% при использовании концентрированного солнечного излучения; - получено напряжение более 1000 В с площади фотопреобразователя около 0,04 м 2 и 20 В с 1 см 2 фотопреобразователя без учета концентрации солнечного излучения; - срок номинальной работы солнечного модуля увеличен с 20–25 до 40–50 лет; - спроектированы и разработаны когенерационные установки с концентраторами и высоковольтными солнечными модулями. испытаны на производство электроэнергии и теплой воды [12–14]. 7.Выводы Таким образом, разработка Федерального научного агроинженерного центра ВИМ в области солнечной энергетики находит свое применение в сферах автономного электроснабжения различных потребителей, как стационарных, так и передвижных. Наряду с планарными солнечными модулями с увеличенным сроком номинальной мощности для солнечных фотоэлектрических станций предложены высоковольтные матричные солнечные модули с увеличенным сроком номинальной мощности и электрическим КПД до 28%. Для архитектурных решений представлены солнечные кровельные панели, которые наряду с электрогенерацией позволяют вырабатывать тепловую энергию, а основание может быть выполнено из переработанного пластика, что положительно влияет на окружающую среду. Для когенерации электрической и тепловой энергии предлагается концентраторный солнечный фотоэлектрический тепловой модуль с концентратором параболоидного типа. Благодарности Исследования выполнены на основе финансирования государственных заданий Всероссийского института электрификации сельского хозяйства и Федерального научного агроинженерного центра ВИМ; на основе финансирования гранта «Молодой преподаватель МИИТ» Российского университета транспорта; на основе финансирования Стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих передовые исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации экономики России, направления модернизации: Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе развитие новых видов топлива, предмет научных исследований: Разработка и исследование солнечных фотоэлектрических тепловых модулей планарной и концентраторной конструкции для стационарной и мобильной энергетики. Рекомендации [1] Панченко В.А., Стребков Д.С., Персиц И.С. Солнечные модули с увеличенным сроком службы, 2015. на номинальном уровне мощности Альтернативная энергетика и экология19(183) 55–60 [2] Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Иродионов А.Е., Панченко В.А., Майоров В.А. 2014 Крыша солнечная панель (Патент РФ на изобретение № 2557272 Заявка: 2014123409/20, 09.06.2014, Опубликовано: 20.07.2015, Бюл. № 20) [3] Стребков Д.С., Бобовников Н.Ю., Иродионов А.Е., Кирсанов А.И., Панченко В.А., Филиппченкова Н.С. Программа 2016 года «Миллион солнечных крыш» в России. Вестник ВИЭШ 3(24) 80–3 [4] Панченко В. 2015 Разработка и испытания складных, секционных и гибких солнечных модулей. Исследования в области сельскохозяйственной электротехники3(3) 90–7 [5] Стребков Д.С., Тверьянович Е.В. 2007 г. Концентраторы солнечной радиации(Москва: ГНУ ВИЭШ) [6] Стребков Д.С., Поляков В.И., Панченко В.А. Исследование высоковольтных солнечных батарей, 2013. кремниевые модули Альтернативная энергетика и экология6/236–42 8 Международная конференция по устойчивому развитию и изменению климата ИОП конф. Серия: Науки о Земле и окружающей среде317(2019) 012002 Издательство ИОП дои: 10.1088/1755-1315/317/1/012002 [7] Панченко В.А., Стребков Д.С., Поляков В.И., Арбузов Ю.Д. Высоковольтные солнечные модули напряжением 1000 В, 2015. Альтернативная энергетика и экология 19(183) 76–81 [8] Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный фотоэлектрический термомодуль с параболический концентратор Альтернативная энергетика и экология1/235–9 [9] Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А., Осьмаков М.И., Плохих С.А. Солнечная энергия, 2013. установка с матричными фотоэлементами и концентратором Электро250–2 [10] Майоров В.А., Панченко В.А., Трушевский С.Н., Трубников В.З. 2012. Тепловые фотоэлектрические термомодуль с параболоторным концентратором солнечного излучения(Патент РФ на полезную модель № 132258, Заявка: 2012154821/06, 18.12.2012, Опубликовано: 09.10.2013, Бюл. № 25) [11] Харченко В., Панченко В., Тихонов П., Васант П. Когенеративные фотоэлектрические тепловые модули различной конструкции для автономного тепло- и электроснабжения, 2018 г. Справочник по исследованиям возобновляемых источников энергии и электрических ресурсов для устойчивого развития сельских районов 86–119 [12] Харченко В., Никитин Б., Тихонов П., Гусаров В. Исследование экспериментальной плоской Параметры теплового модуля PV в естественных условиях Материалы 5-й Международной конференции ТАЕ 2013, Тенденции сельскохозяйственного машиностроения (2-3 сентября, Прага, Чехия) 309–13 [13] Панченко В., Харченко В. и Васант П. Моделирование солнечных фотоэлектрических тепловых модулей, 2019 г. Интеллектуальные вычисления и оптимизация. Достижения в области интеллектуальных систем и вычислений866(Springer Nature Switzerland AG 2019) 108–16 [14] Бабаев Б.Д., Харченко В., Панченко В., Васант П. Материалы и методы, 2019. накопления тепловой энергии в системах электроснабжения Возобновляемые источники энергии и проблемы электроснабжения для сельских регионов115–35 Издано по лицензии в Журнал IOP Серия конференций Earth and Environmental Science. 9 |