Снижение влияния нагрева поверхности фотоэлемента на эффективность его работы

Раздел 6.

ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ И ВОДООТВЕДЕНИЕ, ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 620.92: 536.242

СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА НА

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО РАБОТЫ

Асанов М.М., Бекиров Э.А., Воскресенская С.Н.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Выполнено моделирование изменения температуры поверхности фотоэлемента на протяжении года с использованием статистических данных для города Симферополя, находящегося на 44о 57' с.ш. На основании результатов моделирования произведен расчет площади дополнительной поверхности, предназначенной для компенсации нагрева фотоэлектрического преобразователя, что будет способствовать повышению эффективности его работы. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации размеров фотоэлементов при проектировании и изготовлении.

Нагрев фотоэлемента, эффективность работы фотоэлемента, оптимизация размеров фотоэлемента

Введение

Солнечное излучение, попадая на фотоэлемент, преобразуется не только в электрическую, но и в тепловую энергию, нагревая его поверхность.

Известно ряд работ по исследованию влияния температуры поверхности фотоэлемента на эффективность его работы [1 - 4]. В них, в частности, отмечено, что только 6 - 20 % падающего на фотоэлемент солнечного излучения используется для получения электричества. Остальная энергия, в большей степени, идет на нагрев фотоэлемента [3].

Анализ публикаций

Коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии для элементов на основе кремния, являющегося в настоящее время одним из основных материалов, используемых при изготовлении солнечных батарей, достигает максимального значения при температурах - 150 ^ - 100 оС и составляет около 17 %. При повышении температуры он уменьшается и при температуре 50 оС падает до 9 % [1]. Скорость падения КПД при температуре, близкой к 25 оС, составляет 0,05 % / оС. При повышении температуры, максимальное значение КПД фотоэлектрических элементов на основе ОяЛб отвечает более высоким температурам (от - 100 до - 50 °С), а при температуре вблизи 25 °С КПД снижается со скоростью - 0,033% / °С [1].

Отдельно можно отметить разнообразные методы и устройства, направленные на усиление (концентрирование) солнечного излучения, падающего на единицу площади фотоэлемента [5 - 8]. Наряду с повышением эффективности преобразования солнечной энергии фотоэлементом происходит значительное увеличение температуры его поверхности, что, в свою очередь, негативно сказывается на его работе.

Цель и постановка задач Целью данной работы является уменьшение влияния температуры фотоэлемента на эффективность преобразования солнечной энергии посредством добавления дополнительной площади, используемой для охлаждения его поверхности.

Методика исследования

Известно выражение для расчета полезной выходной мощности солнечного коллектора

[5]:

б=л[ог - иь

2

где А - площадь поглощающего элемента коллектора (абсорбера), м ;

Ог - солнечное излучение, падающее на единицу площади поглощающего элемента коллектора (абсорбера), Вт/м ;

иь - коэффициент потерь тепла вследствие конвекции, излучения и кондукции, Вт/м2 °К;

Гр - температура поглощающего элемента коллектора (абсорбера), оК;

Га - температура окружающей среды, оК.

Авторы предлагают использовать выражение (1) для расчета площади дополнительной поверхности, необходимой для охлаждения фотоэлектрических преобразователей.

При полной компенсации нагрева фотоэлемента, выделяемая им теплота б=0. В этом случае выражение (1) можно записать в виде:

ЛОг =

2

где Л - здесь, площадь фотоэлемента, м ;

А' - площадь дополнительной поверхности, необходимой для компенсации нагрева фотоэлемента, м2;

Гр - здесь, температура фотоэлемента, оК.

Левая часть выражения (2) характеризует степень нагрева фотоэлемента под действием солнечного излучения. Правая часть дает информацию о потере тепла фотоэлементом и дополнительной поверхностью, т.е. их охлаждении, за счет конвекции, излучения и кондукции.

Из (2) получим выражение для нахождения площади поверхности А', необходимой для компенсации нагрева фотоэлемента:

Л = ЛОг )-Л.

иЬ

Для определения температуры фотоэлемента Гр использовались математические модели, представленные в [9]. Моделирование проводилось на основе температурных моделей Росса (1976 г.), Шотта (1985), Серванта (1985), Ласнье (1990) и Чейни (2007 г.), имеющих вид соответственно:

Гр = Га + кОт;

Гр = Га + 0,0280г -1; Гр = Га +аОг

Гр = 30,006+ 0,0175(0Г -300) + 1,14(Га -25); Гр = 0,943Га + 0,0280г -1,528^, + 4,3,

где £=0,02 - 0,04 оК м2/Вт;

а=0,0138;

Р=0,031;

у=0,042;

УК - скорость ветра, м/с.

Данные о величине солнечного излучения ОГ, падающего на единицу площади фотоэлемента, температуре окружающей среды Га и скорости ветра взяты из [10] для города Симферополя, находящегося на 44о 57' с.ш.

Для фотоэлемента с однослойным защитным покрытием выражение для коэффициента потерь тепла имеет вид [5]:

-1-1

1 1

иь =

к + к к + к

с, р-с г, р-с ^ г ,с-а

где кср-с - коэффициент теплообмена конвекцией между фотоэлементом и защитным покрытием, Вт/м2 °К;

кг,Р-С - коэффициент теплообмена излучением между фотоэлементом и защитным покрытием, Вт/м2 оК;

- коэффициент теплообмена конвекцией между защитным покрытием и атмосферой под действием ветра, Вт/м2 оК;

коэффициент теплообмена излучением между защитным покрытием и

к

г,с-а

атмосферой, Вт/м2 оК.

Выражения для коэффициентов теплообмена, входящих в (5) имеют вид соответственно [5]:

Ш • к ; Ь '

ТР + Тс \тр + Тс )

К

к

г, р-с

-1+-1 -1

е е

р с

К = 2,8 + 3,0^;

Кс-а = еАТ2 + Та2 \Тс + Та),

где Ми - число Нуссельта;

к - коэффициент теплопроводности, Вт/м оК;

Ь - расстояние между фотоэлементом и защитным покрытием, м;

о - коэффициент Стефана-Больцмана;

Тс - температура защитного покрытия, оК;

ер, 8с - степень черноты фотоэлемента и защитного покрытия соответственно.

Результаты и их анализ Результаты моделирования представлены на рис. 1 - 3.

Величина солнечного излучения ОТ принята как сумма прямого и рассеянного излучения, падающего на единицу площади фотоэлемента в ясную погоду из расчета того, что фотоэлемент расположен горизонтально относительно поверхности земли.

Месяц года

Рис. 1. Сравнение результатов моделирования, полученных с использованием

различных температурных моделей

Месяц года

Рис. 2. Результаты моделирования, полученные с использованием температурной

модели Росса

Рис. 3. Результаты моделирования, полученные с использованием различных температурных моделей для июля месяца

В результате моделирования были получены данные не о площади дополнительной поверхности А', необходимой для компенсации нагрева фотоэлемента, а об отношении этой площади к площади самого фотоэлемента А '/А. Эти сведения, по мнению авторов, являются более репрезентативными, универсальными и удобными для последующего анализа.

На рис. 1 показано изменение температур фотоэлемента Тр, полученных с использованием моделей Росса, Шотта, Серванта, Ласнье и Чейни и окружающей среды Та в зависимости от времени года.

Из рис. 2 видно, что величина площади дополнительной поверхности А' на протяжении года изменяется незначительно и в 5 - 5,5 раз (для температурной модели Росса) превосходит площадь самого фотоэлемента А. Максимальное значение отношение А '/А принимает в августе месяце. Фотоэлемент, при расчете нагрева его поверхности Q, был взят с размерами 80х70 мм.

На рис. 3 представлены отношения площади дополнительной поверхности А' к площади фотоэлемента А, полученные с использованием различных математических

моделей для июля месяца. В этом месяце зарегистрирована максимальная среднемесячная температура окружающей среды и высокая степень солнечного излучения, падающего на единицу площади фотоэлемента. Для каждой температурной модели получены разные значения отношения А'/А. Для модели Ласнье это отношение максимально. Авторы связывают это с наличием в выражении (3) обратной зависимости А' от разности температур фотоэлемента и окружающей среды Tp - Та, которая для модели Ласнье минимальна (рис. 1).

Выводы

1. Получены математические модели изменения температуры поверхности фотоэлемента на протяжении года, на основании которых рассчитаны коэффициенты теплообмена и потерь тепла поверхности вследствие конвекции, излучения и кондукции. Статистические данные о величине солнечного излучения, падающего на единицу площади фотоэлемента, температуре окружающей среды и скорости ветра взяты для города Симферополя.

2. Произведен расчет площади дополнительной поверхности, предназначенной для охлаждения фотоэлемента. Определено, что для полной компенсации нагрева фотоэлемента падающим солнечным излучением площадь этой поверхности в 5 - 5,5 раз (для температурной модели Росса) должна быть больше площади самого фотоэлемента.

3. Выполненные расчеты позволят в дальнейшем оптимизировать размеры как самих фотоэлементов во время проектирования и изготовления, так и площади дополнительной поверхности, необходимой для их охлаждения. Это будет способствовать повышению эффективности преобразования солнечной энергии фотоэлементами на протяжении всего года даже при высоких температурах окружающей среды.

Список литературы

1. Фаренбрух А. Солнечные элементы: Теория и эксперимент / А. Фаренбрух, Р. Бьюб; [пер. с англ. под ред. М. М. Колтуна]. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 280 с.

2. Skoplaki E. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations / E. Skoplaki, J.A. Palyvos // Solar Energy. - 2009. - Vol. 83. - P. 614 - 624.

3. Dubey S. Temperature Dependent Photovoltaic (PV) Efficiency and Its Effect on PV Production in the World - A Review / S. Dubey, J. N. Sarvaiya, B. Seshadri // Energy Procedia. - 2013. - Vol. 33. - P. 311 - 321.

4. Investigation of Temperature Effects in Efficiency Improvement of Non-Uniformly Cooled Photovoltaic Cells / [A. A. Tarabsheh, S. Voutetakis, A. I. Papadopoulos, etc.] // Chemical Engineering Transactions. - 2013. - Vol. 35. - P. 1387 - 1392.

5. Duffie J. A. Solar Engineering of Thermal Processes / J. A. Duffie, W. A. Beckman. -[3rd Edition]. - UK: Wiley, 2006. - 908 p.

6. Бекиров Э. А. Разработка концентратора солнечной энергии с составной рефлекторной линзой для повышения мощности установок с фотоэлектрическими преобразователями / Э. А. Бекиров, А. П. Химич // Вщновлювана енергетика. - 2010. - № 2 (21). - С. 28 - 31.

7. High performance Fresnel-based photovoltaic concentrator / [P. Benitez, J. C. Minano, P. Zamora, etc.] // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. - P. A25 - A40.

8. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering / [Edited by A. Luque and S. Hegedus]. - [2nd Edition]. - UK: Wiley, 2011. - 1132 p.

9. Comparison of Solar Photovoltaic Module Temperature Models / [A. Q. Jakhrani, A. K. Othman, A. R. H. Rigit and S. R. Samo] // World Applied Sciences Journal. - 2011. - Vol. 14. - P. 1 - 8.

10.Захист вщ небезпечних геолопчних процеав, шкщливих експлуатацшних впливiв, вщ пожежь Будiвельна ^матолопя: ДСТУ-Н Б. В.1.1-27:2010. - [Чинний вщ 201111-1]. - К.: Мшрегюнбуд Украши, 2011. - 123 с. - (Нащональний стандарт Украши).