Комбинированные энергоустановки на основе фотоэлектрических батарей из кристаллического кремния

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире на сегодня в бурно развивающемся направлении гелиоэнергетики одним из важных физико-технических проблем является определение возможности применения новых материалов и разработка солнечных преобразователей отличающихся дешевизной, большим сроком службы, а также коммуникабельностью и возможностью адаптации к различным климатическим условиям. В этом аспекте развитие комбинированных фототепловых энергетических систем является одним из перспективных направлений. Разработке комбинированных солнечных и термоэлектрических систем обеспечивающих в определенной степени увеличение выработки электроэнергии за счет использования выделяемого тепла и охвата дополнительного спектра солнечного излучения учеными нашей страны обращено особое внимание. В этой области по разработке комбинированных фото-термоэлектрических установок обеспечивающих снижение температуры с помощью конструкций на основе металлических и полимерных труб, а также разработке охлаждаемых воздушным потоком конструкций (вентилятором, тепловым коллектором), отвечающихсовременным требованиям, солнечных преобразователей достигнуты ощутимые результаты. При разработке комбинированных фотоэлектрических и термоэлектрических систем удачный выбор комплектующих частей, а также повышение коэффициента полезного действия в комбинированных с солнечным элементом системах имеет важное значение. В этом аспекте создание комбинированной фотоэлектрической установки на основе кристаллического кремния в паре с солнечным элементом, разработка технологии изготовления фото-тепловой установки с «буферным» теплоприёмником с различной площадью контакта с тыльной поверхности фотоэлектрической батареи, оптимизация электрофизических и теплотехнических параметров фото-тепловой батареи и разработка соответствующей фотоэлектрической батареи с устройством охлаждения отвечающей климатическим условиям местности. Научные исследования, проводимые в выше приведенном направлении, обуславливают актуальность темы диссертации. Исследование, проводимое в диссертационной работе в определенной степени служит решению задач, предусмотренных Постановлениях Президента Республики Узбекистан от 1 марта 2013 г. № УП-4512 «О мерах по дальнейшему развитию альтернативных источников энергии», в Постановлении от 5 мая 2015 г. № У П-2343 «О Программе мер по сокращению энергоёмкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015-2019 годы», а также других нормативно-правовых документах принятых в данной сфере. Целью исследования является разработка комбинированных энергетических установок на основе фотоэлектрических батарей с оптимальными параметрами для прямого и отраженного солнечного излучения предназначенных для условий жаркого климата. Научная новизна исследования заключается в следующем: предложена интерфейсная методика оперативной ориентации фотоэлектрической батареи по Солнцу; разработана конструкция фотоэлектрической батареи дополнительными солнечными элементами адаптированная к условиям жаркого климата; разработана тепловая модель фото-тепловой батареи по программе Solid Works Flow Simulation, позволяющая определить динамику изменения температуры фотоэлектрической батареи и оценено влияние скорости потока воды на температуру фото-тепловой батареи, определены типы материалов для охлаждающих трубок, обеспечивающие стабильный температурный режим работы фото-тепловой батареи и их зависимости от конструкции элемента абсорбера (теплопоглощающего материала) на основе металлического листа; впервые экспериментально показано, что применение соразмерного к фотоэлектрической батареи отражающего рефлектора привело к увеличению потока солнечного излучения в 1,6 раз и соответственно мощности солнечного элемента на 18%, а термоэлектрической батареи на 47,0%. Эффективность преобразования солнечного элемента за счет применения термоэлектрической батареи увеличилась на 2%, из-за снижения температуры солнечного элемента; предложен метод определения степени загрязненности поверхности фотоэлектрической батареи, который позволяет определить относительное изменение коэффициента полезного действия чистой и загрязненной поверхности фотоэлектрической батареи; разработана фотоэлектрическая установка с управляемым устройством охлаждения, изучено влияние принудительного воздушного охлаждения на эксплуатационные характеристики двух идентичных фотоэлектрических батарей и установлена линейная зависимость мощности фотоэлектрической батареи от скорости потока охлаждающего воздуха; разработана новая конструкция фото-тепловой установки с охлаждающим устройством на основе полимерных трубок, которое изменяет электрическую мощность фото-тепловой батареи на 38%; ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе проведенных исследований по теме докторской диссертации на тему «Комбинированные энергоустановки на основе фотоэлектрических батарей из кристаллического кремния» представлены следующие выводы: 1. Достигнуто увеличение КПД солнечных установок при прямом и слабо концентрированном солнечном излучениях за счет каскадного расположения фотоприемных поверхностей, приводящих к эффективному использованию более широкого диапазона спектра солнечного излучения, а также благодаря снижению температуры фотоэлектрической части за счет отвода тепла для обогрева воды, используемого для нужд хозяйства. 2. На основе разработанной технологии изготовлены комбинированные установки фотоэлектрических батарей из кристаллического кремния и на их основе показаны возможности производства фото-тепловых, фотоэлектрических установок с принудительным воздушным охлаждением. 3. Разработанная методика и программа на Visual Basic применена для вычисления угла падения солнечного излучения, на основе результатов которой изготовлены экспериментальные устройства по определению оптимальных углов ориентации фотоэлектрических батарей. 4. Разработана CAD модель фотоэлектрической установки в программе Solid Works Flow Simulation позволяющая определить динамику изменения температуры ФЭБ и оценить влияние скорости потока воды на температуру фото-тепловой батареи, также показано, что применение разных материалов для трубок не влияет на температурные режимы работы фото-тепловой батареи и напротив, зависит от конструкции элемента абсорбера (теплопоглощающего материала) на основе металлического листа. 5. За счет применения отражающего рефлектора при температуре окружающей среды 21 °C показана возможность увеличения потока солнечного излучения в 1,6 раз и соответственно мощности солнечных элементов на 18%, термоэлектрической батареи на 47,0%, а также за счет применения термоэлектрической батареи эффективность солнечных элементов на 2%. 6. Впервые на основе предложенного метода показана возможность относительного изменения коэффициента полезного действия чистого и загрязненного фотоэлектрических батарей. 7. В двух идентичных фотоэлектрических батареях с принудительным воздушным охлаждением показана возможность линейной зависимости фотоэлектрической батареи от скорости потока охлаждающего воздуха. 8. Разработанная конструкция фото-тепловой установки с охлаждающим устройством на основе полимерных трубок позволяющая увеличить электрическую мощность фото-тепловой батареи на 38%. 9. Впервые для жарких климатических регионов разработан и изготовлен опытный образец автономной многофункциональной фотоэлектрической станции экстренного обеспечения электроэнергией объектов, удаленных от централизованных источников энергии, для подъема воды из колодцев и сварочного агрегата.