Экспериментальное исследование U-образных концентраторов и модулей на их основе

Исследование плотности излучения на приемнике

Плотность излучения определялась на концентраторе, установленном на поворотном стенде для различной ориентации его по отношению к падающему световому потоку. Поверхность концентратора сплошная с параметрическим углом 27,5°. Фотоэлектрическим тарированным датчиком снимались эпюры распределения облученности поперек приемника, имеющего размер 100 мм. На рис. 6.15 приведены графики распределения облученности приемника излучения при солнечных склонениях 0°, 13°, 23,5°. По графикам следует, что использование фотопреобразователей требует от их технологии изготовления и конструкции необходимости работать при 20-кратной концентрации.

Рис. 6.15. Распределение облученности (Вт/см²) по высоте приемника излучения 0—16 см На рис. 6.16 представлены графики прихода радиации на приемник в течение светового дня. Из рисунка следует, что концентратор обеспечивает работу от 5 ч (зимой) до 10 ч (осенью и весной).

Методика проведения натурных испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами

Особенность проведения солнечных испытаний стационарных модулей состоит в том, что эти концентраторы имеют большой угол зрения, который захватывает не только прямое солнечное излучение, но и околосолнечный ореол, который содержит 30% всей рассеянной небом радиации, поступающую из области небосвода, близкой к линии горизонта.

Рис. 6.16. Графики прихода радиации на приемнике в течение дня для разных сезонов для концентратора 0 350 мм при склонении б = 0°, 13°, 23,5°:

1 — 23,5°; 2 — 12°; 3 — 0°; 4—12°; 5—23,5°.

Рис. 6.17. Область сферы рассеянной солнечной радиации, которая концентрируется стационарным концентратором.

На рис. 6.17 приведена область поля зрения стационарного концентратора. При этом угол а зависит от времени и периода работы стационарного концентратора в году. Для концентратора, работающего круглый год, наиболее эффективно, а = 27,5°. Угол X зависит от ширины бокового добавочного отражающего покрытия по формуле A. = arctgy,.

где h — высота приемника; I — ширина бокового отражающего покрытия. При ширине бокового отражающего покрытия I = 0 угол X = 0°, а при I —" оо X = 90°.

Для проведения натурных испытаний необходимо изготовление специальных насадок для пиранометра, имитирующих область сферы концентрации рассеянной составляющей солнечной радиации. Вариант такой насадки, предназначенной для проведения измерений уровня полезной интенсивности поступления суммарной солнечной радиации на поверхность миделя концентратора 1_к при испытаниях солнечных модулей со стационарными концентраторами, показан на рис. 6.18.

Насадка устанавливается на чувствительной части пиранометра, а сам пиранометр ориентируется на положение солнечного диска.

Рис. 6.18. Насадка для пиранометра, имитирующая поле зрения стационарного U-образного концентратора.

Результаты натурных испытаний приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Натурные испытания теплового коллектора с ш-образным цилиндрическим концентратором.

Примечания. 1. Наклон миделя к горизонту 45°. 2. Ориентация запад — восток. 3. Скорость ветра менее 1 м/с.

6.5.3. Фотоэлектрические солнечные модули со стационарными U-образными концентраторами с жидкостным охлаждением Фотоэлектрические модули со стационарными U-образными концентраторами и жидкостным теплоносителем предназначены для преобразования солнечной энергии в тепловую энергию и электрическую энергию постоянного тока и могут быть использованы для обеспечения автономного потребителя электрои тепловой энергией в течение всего года. Внешний вид модуля приведен на рис. 6.19, а.

Рис. 6.19. Внешний вид фотоэлектрического модуля с жидкостным охлаждением (а); схемы охлаждения СЭ в составе модулей (б):

1 — воздушное охлаждение; 2 — жидкостное; корпуса емкостей охлаждения выполнены из стекла Схема системы охлаждения СЭ представлена на рис. 6.19, б. Солнечные элементы герметизированы светостойким полимером этиленвинилацетат (ЭВА), что исключает попадание воды на солнечные элементы и коррозию контактов. Канал для циркуляции теплоносителя выполнен в виде стеклянных стенок. Результаты теплотехнического расчета системы охлаждения модуля с водой в качестве теплоносителя приведены в табл. 6.5 выше.

Экспериментальные выходные могцностные характеристики модуля при различном склонении Солнца представлены на рис. 6.20, а его технические данные — в табл. 6.6.

Рис. 6.20. Мощность фотоэлектрического модуля с жидкостным охлаждением СЭ при разных углах склонения б:

1 — при ориентации на солнце; 2 — при отклонении на 13°; 3 — при отклонении на 23,5°.

Таблица 6.6

Техническая характеристика фотоэлектрического модуля.

Примечания. 1. Характеристика приведена для стандартных условий: плотность потока солнечного излучения 1000 Вт/м², температура окружающего воздуха +25 °С.

2. Для получения напряжения порядка 12 В необходимо последовательно соединить два модуля.

Использование тепла позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии. Например, для солнечного модуля со стационарным концентратором пиковой электрической мощностью 50 Вт и пиковой тепловой мощностью 240 Вт увеличение эффективности преобразования солнечной энергии возрастает с 8% (в случае использования только электричества) до 35%.

6.5.4. Фотоэлектрический солнечный модуль со стационарным u-образными концентратором с воздушным охлаждением солнечных элементов Целью разработки фотоэлектрического модуля с воздушным охлаждением являлось создание автономной системы без жидкостного охлаждения. Экспериментальный образец фотоэлектрического модуля состоит из двух симметричных параболоцилиндрических стационарных фацетных концентраторов (рис. 6.21) с коэффициентом геометрической концентрации 3,45 и приемников излучения, каждый из которых собран из 18 последовательно соединенных солнечных элементов размером 100×50 мм с двусторонней фоточувствительностью. Цепочка солнечных элементов помещена в стеклянный канал.

Рис. 6.21. Солнечная установка с двумя модулями и воздушным охлаждением солнечных элементов.

Солнечные элементы защищены от воздействия влажности и пыли. В одном из приемников солнечные элементы покрыты полимером этиленвинилацетатом (ЭВА), расположены по центру воздушного канала шириной 25 мм и охлаждаются воздухом с двух сторон (рис. 6.22). Ширина приемника с учетом стеклянных стенок канала толщиной 4 мм каждая составляет 33 мм.

В другом приемнике солнечные элементы ламинированы ЭВА на поверхности стекла и принудительное охлаждение осуществляется с одной стороны солнечных элементов. Ширина воздушного канала в этом случае равна 18 мм. Ширина приемника с учетом стекла равна 26 мм. Вентиляторы типа XHY-8025 с напряжением 12 В работают непосредственно от СЭ. Характеристики вентиляторов даны в табл. 6.7.

Как показали опытные данные, условия охлаждения лучше в приемнике, где солнечные элементы расположены по центру воздушного канала. Таким образом, можно увеличить тепловую и электрическую мощность модуля, если использовать оба приемника с расположением солнечных элементов по центру теплоотводящего канала. Техническая характеристика модуля приведена в табл. 6.8.

Рис. 6.22. Схемы систем охлаждения модулей по рис. 6.21:

1 — вентиляторы; 2 — конфузоры; 3 — солнечные элементы, укрепленные на стекле (вверху), обдуваемые с двух сторон (внизу).

Таблица 6.7

Характеристики вентиляторов.

Таблица 6.8

Техническая характеристика модуля с воздушным охлаждением СЭ.

Примечание. ¹ Характеристика приведена для стандартных условий: плотность потока солнечного излучения 1000 Вт/м², температура окружающего воздуха +25 °С.

При КПД солнечных элементов порядка 14% пиковая электрическая мощность модуля с воздушным охлаждением составит¹ 70 Вт.

Превышение температуры СЭ над окружающей средой составило 34 °C при радиации 1000 Вт/м^[1][2] для системы охлаждения по рис. 6.22 (внизу), для другого варианта при охлаждении с одной стороны — 58 °C. Расчет величины расхода воздуха, необходимого для поддержания заданного температурного перепада на СЭ, представлен на рис. 6.23.

Рис. 6.23. Расчетные характеристики воздушного охлаждения модуля.

по рис. 6.21.

• [1] Тверъянович Э. В., Беленое А. Т, Литвинов П. П. Концентрирующий фотоэлектрический модуль для комбинированного энергоснабжения // Возобновляемая энергия. Ежеквартальный информационный бюллетень. 2004, март. С. 10—11.
• [2] Литвинов П. П., Тверъянович Э. В., Трушевский С. Н. Экспериментальное исследование работы солнечного теплового модуля со стационарным концентратором // Гелиотехника. 2005. № 2. С. 43—47.