ОХЛАЖДАЕМЫЙ ФОТОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ОХЛАЖДАЕМЫЙ ФОТОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Заявленное техническое решение относится к отрасли преобразования солнечной энергии и направлено на повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую и повышение мощности, вырабатываемой фотоэлектрическими станциями.
Из предыдущих разработок известно изобретение (патент США US 2008/0011289 А1, от 17.01.2008 г.), представляющее собой гибридный фотоэнергетический модуль (ФЭМ). Во время работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной батареи (СБ) под воздействием солнечного излучения (СИ) их температура достигает высоких значений, из-за чего существенно снижается эффективность выработки электрической энергии. Введение в конструкцию ФЭМ охлаждения теплоносителем, имеющим незначительное превышение температуры над температурой окружающей среды, позволит уменьшить перегрев ФЭП и увеличить общий КПД солнечной электростанции. Помимо повышения эффективности работы ФЭП применение охлаждения позволяет повысить срок службы элементов. В данном модуле в одном корпусе объединены СБ на основе кристаллического кремния и теплосборник, обеспечивающий подогрев воды и охлаждение СБ. Конструктивно передача тепла от СБ к теплоносителю реализована посредством пристыковки к тыльной поверхности СБ набора медных пластин на котором с помощью зажимных устройств закреплены медные трубки, через которые протекает теплоноситель. С обеих сторон СБ тепловые трубы присоединены к коллекторам, объединяющим потоки теплоносителя на входе и выходе из труб. С тыльной стороны ФЭМ оснащен слоем теплоизоляции. Также для компенсации возросших весовых нагрузок добавлена дополнительная несущая рама, усиливающая стандартную раму СБ.
Недостатком известного решения является использование жестко соединенных между собой медных пластин в теплосборнике, что может приводить к излишним термическим напряжениям в конструкции ФЭМ. Также контакт теплосборника с СБ и тепловыми трубами выполнен не оптимально, ибо со стороны СБ отсутствует теплопроводящая прослойка между СБ и медной пластиной, а тепловые трубы на пластинах теплосборника закреплены в защелках без применения пайки или сварки для упрощения производства модуля. Оба технологических решения существенно увеличивают тепловое сопротивление контактов. Также использование меди приводит к возрастанию стоимости подобного ФЭМ в целом.
Известна также конструкция ФЭМ (патент США US 20140261634 А1, от 18.09.2014 г.) в которой теплосборник представляет собой тонкий лист алюминия, закрепляемый на тыльной стороне СБ посредством теплопроводящего клея. Передача тепла к трубам с теплоносителем, которые размещены по торцам ФЭМ, осуществляется за счет теплопереноса с учетом достаточно высокой теплопроводности алюминия. Такое решение позволяет существенно упростить конструкцию теплосборной части ФЭМ и облегчить дополнительную несущую раму либо вообще отказаться от ее использования. Недостатки устройства - использование сплошного листа алюминия, теплосъем с которого осуществляется только с двух краев, а не по площади уменьшает эффективность охлаждения СБ и может приводить к возникновению градиента температур по площади СБ, что негативно сказывается на эффективности всей батареи. Применение сплошного листа алюминия также может приводить к излишним термическим напряжениям в конструкции ФЭМ.
Также известно решение (европейский патент ЕР 1261039 А1, от 27.11.2002 г.) в котором для повышения эффективности ФЭП стандартной конструкции используется слабоконцентрированное солнечное излучение со степенью концентрации от 3 до 10. В качестве концентраторов излучения используется комбинация линз Френеля и плоских зеркал типа плоский фоклин, расположенных по бокам панели солнечных батареи. Конструктивно такие концентрирующие системы представляют собой листы отражающего материала (полированного алюминия), закрепленные на несущей раме из стальных профилей. Недостатком данного решения является отсутствие в конструкции солнечной батареи охлаждающей части. Без применения охлаждения ФЭП использование подобного слабоконцентрированного излучения приводит к повышению равновесной температуры ФЭМ до 55°С, близкой к предельной рабочей температуре ФЭП.
Известен способ повышения КПД монокристаллических кремниевых ФЭП (патент Украины на полезную модель №60406 от 25.11.2011) основанный на предварительной обработке ФЭП в стационарном магнитном поле с индукцией более 0,1 Тл, с последующей стабилизацией достигнутого состояния ФЭП путем нанесения на его тыльную поверхность слоя магнитного винила. Недостаток данного способа заключается в необходимости проведения предварительной обработки ФЭП с использованием мощных и дорогостоящих постоянных магнитов, что усложняет его реализацию в промышленных условиях.
Прототипом, наиболее близким к предлагаемой конструкции можно считать ФЭМ (патент США US 20110186109 А1, от 04.08.2011 г.) в котором на тыльной поверхности СБ установлен массивный теплосборник в виде единого несущего конструктивного элемента, в котором выполнены сквозные отверстия для труб с теплоносителем. Присоединение теплосборника осуществляется посредством теплопроводящего клея. Трубы с теплоносителем выполнены из меди и равномерно распределяются по всей площади СБ, обеспечивая эффективный теплосъем. Использование массивного теплосборника, воспринимающего весовую нагрузку, позволяет отказаться от дополнительной несущей рамы. Недостатком известного решения является трудоемкость изготовления единого массивного теплосборника со сквозными отверстиями для труб и сложность осуществления эффективного теплового контакта труб в которых протекает теплоноситель с конструкцией теплосборника. Также к недостаткам такой конструкции можно отнести применение медных труб что увеличивает стоимость ФЭМ.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении эффективности работы солнечных элементов, увеличении вырабатываемой фотоэлектрической станцией (ФЭС) мощности и повышения эффективности расходования дорогостоящих ресурсов.
Данная задача решается за счет объединения в один конструктивный блок с солнечной батареей системы охлаждения с термосифонной циркуляцией теплоносителя, обеспечивающей снижение равновесной температуры СБ на 10 градусов и уменьшение потерь, связанных с перегревом ФЭП на 50%, системы концентрации солнечного излучения с 1,5-2 кратной концентрацией излучения, повышающей вырабатываемую ФЭП мощность в 1,5 раза, и слоя магнитного винила, обеспечивающего дополнительное повышение КПД солнечных элементов на 0,2-0,3%.
Фотоэнергетический модуль, состоит из:
- солнечной батареи на основе кремниевых фотоэлектрических преобразователей;
- системы охлаждения, выполненной в виде отдельных алюминиевых теплосборников - ламелей и соединяемой с тыльной стороной солнечной батареи посредством теплопроводящего компаунда для компенсации разности коэффициентов линейного расширения, обеспечивающей снижение равновесной температуры СБ на 10 градусов;
- концентрирующей системы с отражающими элементами типа плоский фоклин, которые размещаются вдоль обеих длинных сторон панели СБ, обеспечивающей 1,5-2 кратную концентрацию солнечного излучения;
- слоя магнитного винила который размещается в специально выполненных в теплосборниках окнах и обеспечивает дополнительное повышение КПД солнечных элементов на 0,1-0,2%.
Поскольку в ходе исследований было экспериментально установлена высокая скорость снижения КПД СБ китайского производства с ростом рабочей температуры, то в процессе эксплуатации это нивелирует их достаточно высокие исходные значения КПД. При температуре окружающей среды 25°С температура фотоэлектрического модуля может превышать 50°, что приведет к снижению КПД СБ от исходных 20% до 17,5%. Таким образом, высокая скорость снижения КПД с ростом рабочей температуры обуславливает целесообразность оснащения СБ китайского производства системой водяного охлаждения. Для этого с помощью компаунда предполагается обеспечить тепловой контакт тыльной поверхности СБ с алюминиевым абсорбером, к которому приварены алюминиевые трубки с протекающей водой. Чтобы не расходовать вырабатываемую электрическую энергию на принудительную циркуляцию теплоносителя, предлагается использовать термосифонную систему с небольшим перегревом (5-7)°С относительно окружающей среды. Тогда с учетом рассчитанных перепадов температур в слоях фотоэнергетического модуля, его перегрев относительно окружающей среды уменьшается до (10-12)°С, что позволяет уменьшить потери КПД от перегрева более чем в два раза.
Использование слабоконцентрированного излучения для повышения вырабатываемой СБ электрической мощности представляется экономически оправданным поскольку оснащение фотоэнергетических модулей концентраторами со степенью концентрации 2 позволяет в два раза уменьшить количество используемых ФЭП, сократив таким образом расход дорогостоящего полупроводникового материала. Расчет тепловых параметров ФЭМ, оснащенного концентратором, показывает, что при использовании предлагаемой системы водяного охлаждения равновесная температура модуля увеличивается всего на 5 градусов. Тогда как без системы охлаждения использование подобного слабоконцентрированного излучения приводит к повышению равновесной температуры ФЭМ до 55°С, близкой к предельной рабочей температуре ФЭП. Применение концентраторов типа плоский фоклин позволит обеспечить на фотоприемной поверхности ФЭМ концентрацию на уровне 1,5-2 ед., что является оптимальным для ФЭП обычной конструкции на основе монокристаллического кремния.
Для увеличения времени жизни неравновесных носителей заряда и снижения плотности диодного тока насыщения предполагается в конструкции ФЭМ использовать магнитный винил. Показано, что для ФЭП китайского производства после выдержки на магнитном виниле в течении 14 дней в областях базового кристалла, прилегающих к р-n переходу наблюдается практически двукратный рост времени жизни ННЗ по сравнению с его значением в исходном состоянии, что обеспечивает рост КПД на 0,2-0,3%, обусловленный возрастанием плотности фототока. Механизм увеличения КПД объясняется влиянием магнитного поля на дефекты базового кристалла ФЭП, ибо известно, что при производстве ФЭП с применением технологии термодиффузии именно область, прилегающая к р-n переходу оказывается насыщенной дефектами структуры и практически не участвует в генерации фототока. Высокая теплопроводность кремния 150 Вт/(м·K) позволяет обеспечить поперечный градиент температуры не более 1°С, если тепло будет подводится не по всей площади ФЭП, а только вдоль полос шириной 1 см по краям. Поэтому алюминиевый абсорбер предполагается изготавливать из перфорированного алюминиевого листа, в окнах которого можно разместить магнитный винил.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показано поперечное сечение конструкции ФЭМ, оборудованного системой водяного охлаждения. Устройство состоит из стекла - 1 (толщина 4 мм, коэффициент теплопроводности 1,15 Вт/(м·K)), пленки ЭВА для ламинирования - 2 (толщина 0,3-0,7 мм, коэффициент теплопроводности 0,330-0,470 Вт/(м·K)), кремниевых ФЭП - 3 (толщина 0,18 мм, коэффициент теплопроводности 150 Вт/(м·K)), пленки ЭВА для ламинирования - 4 (толщина 0,3-0,7 мм, коэффициент теплопроводности 0,330-0,470 Вт/(м·K)), защитного слоя ПВХ - 5 (толщина 0,5 мм, коэффициент теплопроводности 0,19 Вт/(м·K)), слоя теплопроводящего компаунда КПДТ - 6 (толщина 0,1 мм, коэффициент теплопроводности 1,28 Вт/(м·K)), алюминиевого теплосборника - 7 (толщина 1,5-2 мм, коэффициент теплопроводности 202-236 Вт/(м·K)), воды - 8. Конструкция алюминиевого теплосборника - ламели показана на фиг. 2. В теплосборнике - ламели предусмотрена перфорация под размещение магнитного винила. На фиг. 3 показан общий вид в сборе с тыльной стороны ФЭМ модуля, оснащенного системой охлаждения. На фиг. 4 приведены предлагаемые варианты оснащения ФЭМ концентратором типа плоский фоклин: при продольном расположении (фиг. 4, а) и при поперечном расположении (фиг. 4, б) отдельных ФЭМ. На фиг. 5 приведены экспериментальные зависимости времени жизни неосновных носителей заряда от глубины поглощения излучения в базовом кристалле кремния до (1) и после (2) выдержки ФЭП на магнитном виниле в течении 14 дней
Работоспособность предлагаемого охлаждаемого фотоэнергетического модуля с концентратором солнечного излучения проверена в серии экспериментов.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет повысить эффективность работы фотоэлектрических преобразователей, увеличивая вырабатываемую фотоэлектрической станцией мощность и повышая эффективность расходования дорогостоящих ресурсов.