Повышение энергетической эффективности работы солнечных модулей за счет снижения температуры поверхности

The paper presents the main operating modes of the electrical complex based on a borehole electric steam generator in order to ensure a predetermined temperature in the hole zone of a productive oil formation and subsequent effective heat treatment. It is shown in the work that the most productive and energy-efficient way of producing viscous oil is production based on electrical systems using downhole electrode heaters. Functional schemes of control systems are given and the main modes of operation of the electrical complex are substantiated.

Key words: electrical complex, downhole electrode heater, control system, electrical conductivity, energy efficiency, resource saving.

Zagrivnyy Eduard Anatolievich, doctor of technical science, professor, zagrivnyy_ea@pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Kopteva Alexandra Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, kopteva_av@pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Belskii Aleksey Anatolievich, candidate of technical sciences, docen, abelskij@,gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Malarev Vadim Igorevich, candidate of technical sciences, docent, malarev@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Voytyuk Irina Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, voytuk_irina@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University

УДК 621.311.243

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПОВЕРХНОСТИ

И.М. Кирпичникова, И.Б. Махсумов

Предложен недорогой и технологичный метод термозащиты солнечных модулей с использованием структурированных голографических пленок, приведены результаты сравнительных лабораторных испытаний солнечных модулей с использованием таких пленок. Вольт-амперная характеристика, снятая при различных значениях освещенности, показала эффективность использования данного метода. Показано, что при нанесении пленки на переднюю поверхность модуля эффективность его работы не меняется, а в некоторых случаях даже становится лучше. Пленка позволяет снижать температуру поверхности модуля, что позитивно сказывается на эффективности его работы. Установлено, что температура модуля зависит от угла его наклона к горизонту, что необходимо учитывать при выборе места установки солнечных батарей. Проведенные эксперименты подтвердили предположение об эффективной защите модулей от перегрева с использованием структурированной гологра-фической термозащиты и показали ее перспективность.

Ключевые слова: солнечная энергетика, перегрев солнечных модулей, деградация, термозащита, структурированные голографические плёнки.

Повышение температуры сверх стандартной ведет к деградации солнечных модулей и преждевременному выводу их из эксплуатации, поэтому защита рабочей поверхности модулей от перегрева является

ключевым фактором, который необходимо учитывать для достижения более высокой эффективности при эксплуатации солнечных фотоэлектрических систем.

Одной из наиболее распространенных технологий возобновляемой энергетики является использование фотоэлектрических (РУ) систем, которые преобразуют солнечный свет в полезную электрическую энергию [1, 2]. На сегодняшний день принцип работы фотоэлектрических преобразователей достаточно хорошо изучен, о чем свидетельствует большое количество публикаций в мировой печати, например, [3, 4 -11].

Основные преимущества, демонстрируемые фотоэлектрической технологией, заключаются в экологически чистом производстве электроэнергии, низких эксплуатационных затратах, минимальном обслуживании и высокой удельной мощности по сравнению с другими технологиями ВИЭ [3, 4]. Однако у этой конверсионной системы есть некоторые общие эксплуатационные проблемы, которые могут отрицательно сказаться на эффективности работы солнечных модулей и электростанций в целом [5]. Экзогенные климатические параметры, такие как скорость ветра, температура окружающей среды, относительная влажность, накопленные пыль и солнечная радиация, являются наиболее распространенными природными факторами, которые влияют на температуру поверхности фотоэлектрического модуля [6]. Рабочая температура поверхности играет решающую роль в процессе преобразования фотоэлектрической энергии. Высокие температуры окружающей среды и высокие рабочие температуры поверхности РУ- модулей вызывают их перегрев, что сказывается на вольтампер-ной характеристике и радикально снижает эффективность устройства [12, 13].

Каждое повышение температуры поверхности солнечного модуля на 1 0С по сравнению со стандартной температурой, равной 25 0С приводит к снижению его КПД на 0,5% [7]. Из-за повышения температуры не вся солнечная энергия, поглощаемая полупроводниковыми солнечными элементами, превращается в электрическую, и для соблюдения закона сохранения энергии оставшаяся часть солнечной энергии преобразуется в тепло. Последствия этого потерянной энергии приводят к снижению общей эффективности преобразования.

Предпочтительная рабочая температура солнечных модулей находится в диапазоне от 0 0С до 75 0С. Характеристики модулей представляют собой соотношение между выходной мощностью и выходным напряжением, в то время как солнечная освещенность и температура модуля поддерживаются постоянными. Влияние температуры на электрическую эффективность солнечных панелей можно проанализировать с помощью следующего уравнения [14, 15]:

Ъру = Лтк1 ~Ья Тс - Тк)],

где цру - эффективность фотоэлектрического модуля, измеренная при температуре окружающей среды; цТк - эффективность модуля при эталонной температуре ячейки Тк=25°С; - коэффициент температуры для эффективности ячейки (обычно 0,004...0,005 °С [16, 24]); Тс - температура поверхности фотоэлектрического модуля.

Из формулы следует, что чем выше температура поверхности модуля, тем ниже его эффективность.

Таким образом, для того, чтобы технология использования солнечной энергии была жизнеспособной, необходимо найти различные способы решения этой температурной проблемы, что должно привести к повышению общей эффективности преобразования.

Вопросами поиска различных способов и технологий снижения температуры поверхности солнечных модулей занимались многие исследователи. Так, авторы цитируемой в [8] статьи проанализировали различные технологии охлаждения солнечных фотоэлектрических панелей. Было показано, что из рассмотренных методов было внедрено всего несколько технологий. В работе [9] основное внимание уделялось рассмотрению методов пассивного, принудительного воздушного и жидкостного конвекционного охлаждения, применяемых в различных системах солнечных концентраторов.

Все рассмотренные методы, как правило, используют сложные устройства для охлаждения или отвода тепла от поверхности модулей.

На наш взгляд, проблему снижения перегрева модулей необходимо решать одновременно с решением вопроса повышения их производительности. Этот вопрос особенно актуален для районов с дефицитом электроэнергии и высокой солнечной инсоляцией.

Для защиты солнечных модулей от перегрева в условиях повышенных температур нами было предложено использование специальных структурированных голографических пленок. Подобные пленки широко используются в конструкциях зданий и салонов автомобилей от проникновения инфракрасных (тепловых) лучей. Основное назначение пленок - защита помещений от перегрева в летний период и сохранение тепла в зимний, что очень важно при решении вопросов энергосбережения. Разнообразие типов и видов голографических пленок позволяют обычное стекло превратить в элемент, отвечающий требованиям безопасности и комфорта [17, 24].

Мы полагаем, что специальная структура голографической плёнки может стать эффективным и экономическим средством защиты солнечных модулей от высокой температуры, и, как следствие, увеличить срок их эксплуатации без снижения эффективности работы модулей, а специфические особенности голографических плёнок как средства предотвращения перегрева, послужат дальнейшему технологическому развитию солнечной энергетики.

Описание эксперимента. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях в дневное время. Цель эксперимента -изучить основные энергетические характеристики солнечных модулей при использовании структурированной голографической пленки и ее влияние на снижение температуры поверхности модуля.

Известно, что любое затенение солнечного модуля приводит к снижению эффективности его работы. Мы предполагали, что прозрачная го-лографическая пленка, имеющая неоднородную внутреннюю структуру,

позволит отразить инфракрасную (тепловую) составляющую спектра, снизив тем самым перегрев модуля и при этом не приведет к ухудшению его энергетических характеристик.

Эксперимент проводился на стенде, общий вид которого представлен на рис.1.

Рис. 1. Общий вид экспериментального стенда: 1, 5 - солнечный модуль с пленкой; 2 - источник искусственного освещения; 3 - инфракрасный термометр; 4 - модуль управления и контроля

При эксперименте использовались приборы и оборудование, характеристика которых приведена в табл. 1.

Электрическая схема стенда показана на рис. 2.

Таблица 1

П Теречень приборов и оборудования, используемых в эксперименте

№ Наименование приборов Технические характеристики

1 Солнечный модуль, расположенный на платформе, датчик температуры, датчик освещённости, искусственный источник освещения Напряжение сети 220В Частота 50 Гц Потребляемая мощность 350 Вт

2 Модуль управления и контроля, включающий: - аккумуляторную батарею, - контроллер заряда аккумуляторной батареи; - регулятор освещённости; - переменную нагрузку; - цифровой вольтметр; - цифровые амперметры (3 шт); - цифровой индикатор температуры солнечных модулей; - цифровой индикатор энергетической освещённости солнечного модуля (радиометр) Напряжение от сети 220В Частота 50 Гц Потребляемая мощность 350 Вт

3 Инфракрасный термометр (пирометр) Температурный диапазон 60 °С ... + 1000 °С

4 Структурированная голографическая плёнка -

Известно, что фотоэлектрические преобразователи имеют довольно сложную зависимость максимальной выходной мощности от сопротивления нагрузки для различных значений освещенности, которая может быть описана семейством вольтамперных характеристик (ВАХ) [11, 18-23]. ВАХ солнечного модуля определялась путем измерения тока и напряжения

на выходе солнечного модуля при изменении сопротивления нагрузки для различных значений освещенности. Результаты измерения семейства ВАХ представлены на рис. 3 для модулей при использовании пленки и без нее.

Рис. 2. Электрическая схема экспериментальной установки

Как видно из представленных характеристик, использование защитной пленки дает некоторое преимущество по выходному напряжению по сравнению с модулями без пленки.

По результатам измерения вольтамперной характеристики исследуемого модуля были определены параметры режимов работы, соответствующие точке максимальной мощности, что позволило сократить количество измерений на следующем этапе.

0.13 0,12 0.11 0,1 0,09 < 0,08 ^ 0,07 0.06 0.05

0.03 0,02 0.01 0

^ 4000 Вт/м2 с

нленкоп

400и Ит ли ЙС5

1400 Вт/м2 с плёнки

плёнкой

14011 Вт/м^ 0 плёнки

600 Вт/м2 с

-1__ --- плёнкой ! 500 Вт/м?

плёнки

1

0 1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Напряжения.

Рис. 3. ВАХ солнечного модуля при разной освещённости

ш

1,2 1,1 1

0.9 0,8 0,7

Л

Й0,6 о

И 0,5 |0,4 0.3 0,2 0,1 О

4000 Вт/м2 бет плёнки

4 1000 ВТ/М2 с ПИРНк'ПН

1400 Вт/м2 с

/ 11ЛБМКШ 1

100Вт/м2 без У илёнкн

600 Вт/м2 с 600 Вт/м2 без \ Л

плёнкой плёнки \\

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Напряжение,

Рис. 4. Мощностная характеристика модулей для различных

значений освещенности

493

Полученная мощностная характеристика также показала целесообразность использования термозащитной пленки для солнечных модулей.

Далее были проведены сравнительные испытания солнечных модулей с открытой поверхностью и с поверхностью, на которую наклеена пленка. Для таких модулей определялись следующие зависимости:

- температуры нагрева от освещенности поверхности солнечного модуля;

- мощности модуля от его освещенности;

- мощности модуля от его угла наклона к горизонту.

Освещенность поверхности солнечного модуля регулировалась

мощностью искусственного источника света в диапазоне 63...1990 Вт/м2. Угол наклона модуля устанавливался от 0 до 90 градусов по отношению к прямым лучам света. Мощность модуля определялась для режима работы, соответствующего точке максимальной мощности на основе измеренной вольтамперной характеристики.

Эксперименты проводились поочередно с открытой и закрытой пленкой поверхностями солнечного модуля.

Результаты исследования зависимости мощности модуля от освещенности представлены в табл. 2 и на рис. 5.

Таблица 2

Зависимость мощности СМ от освещенности_

E, Вт/м2 63 265 503 800 860 1120 1630 1900 1970

Р(с.пл) Вт 0,00171 0,07436 0,29348 0,62912 0,7004 0,9282 1,4112 1,53 1,54

Р(без.пл) Вт 0,00162 0,0715 0,27993 0,6017 0,6834 0,8625 1,288 1,47 1,495

—•—Мощность СМ без плёнки —•—Мощность СМ плёнкой

4

В 0.8

1 0,6

о

5 0,4

0,2 О

63 265 503 800 860 1120 1630 1900 1970

Освещёность

Рис. 5. Зависимость мощности солнечного модуля от освещенности

с плёнкой и без нее

На графике видно, что при небольшой освещенности (до 860 Вт/м2), мощность модуля не изменяется, однако при увеличении освещенности разница в мощности между открытой и оклеенной поверхностями становится очевидной. Несмотря на то, что эта разница имеет небольшое значение, это позволило предположить, что наличие пленки не влияет отрицательно на мощность модуля, а в некоторых случаях (при увеличении освещенности) даже приводит к ее увеличению.

В табл. 3 и на рис. 6. представлены зависимости мощности модуля от угла его наклона.

Таблица 3

Уголь наклона (Р,°) 0 10 20 30 40

Рспл, (Вт) 1.5453 1.4504 1.188 0.8625 0.6048

Рбез.пл, (Вт) 1.4798 1.4162 1.2649 0.984 0.7314

Уголь наклона (Р,°) 50 60 70 80 90

Рспл, (Вт) 0.378 0.19635 0.10426 0.039366 0.00425

Рбез.пл, (Вт) 0.51156 0.28724 0.12292 0.0308 0.0036

Рис. 6. Зависимость мощности солнечного модуля от угла наклона

Зависимость показывает, что в диапазоне углов от 10 до 70 градусов мощность модуля с пленкой в среднем на 0,15 Вт больше, чем мощность модуля с открытой поверхностью.

Исследование зависимости температуры нагрева поверхности модуля от освещенности показало, что используемая голографическая пленка имеет свойство отражения инфракрасной составляющей электромагнитного спектра, т.е., предотвращает солнечный модуль от перегрева. В табл. 4 и на рис. 7 показаны полученные значения температуры нагрева передней и задней поверхности модуля с пленкой и без нее в зависимости от освещённости.

Таблица 4

Температура передней и задней поверхности солнечного модуля

с открытой и оклеенной пленкой поверхностями от освещённости

Е, Вт/м2 50 115 620 1327 1926 1999 1999 1999 1999

* безп.п, С 33.8 33.7 34.3 35.0 35.8 36.6 38 38.9 40.1

^ безп.з, С 27.3 27.3 27.3 27.7 27.9 28.1 28.2 28.4 28.6

* 0С 1 сп.п, С 32.2 32.1 32.8 34.3 36 37.3 38 38.5 39.1

* 0С 1 сп.з, С 29.1 29.3 29.1 28.9 31.9 32.2 32.1 32.1 32.1

Как видно из полученных зависимостей, с увеличением освещенности, температура поверхности СМ с пленкой несколько ниже, чем при открытой поверхности, но даже небольшая разница может быть основанием

для использования таких пленок для защиты модулей от перегрева. Следует сказать, что даже при установившемся значении освещенности температура продолжает незначительно увеличиваться.

—•—1 безп.п —•—I безп.з

45

5 0

50 115 620 1327 1926 1999 1999 1999 1999

Освещеность,

а

б

Рис. 7. Зависимость температуры передней и задней поверхности солнечного модуля от освещённости без пленки

Рис. 8. Зависимость температуры на передней и задней поверхностях солнечного модуля от угла наклона с пленкой и без пленки

Зависимость температуры нагрева от угла наклона солнечного модуля, представленная на рис. 8 показывает, что разница в температурах двух поверхностей имеет большее значение, чем при изменении освещенности.

При этом температуры на задних поверхностях модулей практически равны, а на передних, воспринимающих солнечную радиацию, поверхностях отличаются в среднем на 10 градусов. Этот факт говорит о необходимости учета угла наклона солнечных модулей при установке их в месте эксплуатации.

Выводы

1. Для получения максимальной эффективности солнечных модулей необходимо соблюдение климатических и эксплуатационных условий, в частности температуры окружающей среды должна быть не более 25 0С. Повышение температуры воздуха при работе солнечных модулей снижает генерацию электрической энергии и приводит к преждевременной деградации модулей.

2. Предложенный метод защиты солнечных модулей от перегрева с использованием структурированной голографической плёнки позволяет снизить температуру нагрева поверхности модуля, не снижая его энергетических характеристик.

3. Полученные в лабораторных условиях значения соответствуют лишь одному модулю небольшой мощности, однако пересчет их на солнечную электростанцию, состоящую из сотен и тысяч таких модулей, может иметь значительный энергетический и экономический эффект.

Список литературы

1. Hu J., Chen W., Yang D., Zhao B., Song H., Ge B. Energy performance of ETFE cushion roof integrated photovoltaic / thermal system on hot and cold days // Applied Energy. 2016. Vol. 173. P. 40-51.

2. Yau Y.H., Lim K.S. Energy analysis of green office buildings in the tropics-Photovoltaic system // Energy Build. 2016. Vol. 126. P. 177-193.

3. Wang Y., Zhou S., Hou H. Cost and CO2 reductions of solar photovoltaic power generation in China: perspectives for 2020 // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 39. P. 370-380.

4. Bhubaneswari P., Iniyan S., Goic R. A review of solar photovoltaic technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. P. 1625-1636.

5. da Silva R.M., Fernandes J.L.M. Hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) solar systems simulation with Simulink/Matlab // Solal Energy. 2010. Vol. 84. P. 1985-1996.

6. The role of climatic-design-operational parameters on combined PV/T collector performance: A critical review / A.M. Elbreki, M.A. Alghoul, A.N. Al-Shamani et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 57. P. 602-647.

7. Davis M.W., Fanney A.H., Dougherty B.P. Prediction of building integrated photovoltaic cell temperatures // Journal of Solar Energy Engineering. 2001. Vol. 123. Issue. 3. P. 200-210.

8. Sahay A., Sethi V.K., Tiwari A.C., Pandey M. A review of solar photovoltaic panel cooling systems with special reference to Ground Coupled Central Panel Cooling System (GC-CPCS) // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 42. P. 306-312.

9. Royne A., Dey C.J., Mills D.R. Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review // Sol Energy Mater Sol Cells. 2005. Vol. 86. Issue. 4. P. 451-483.

10. Siecker J., Kusakana Numbi K., B.P. A review of solar photovoltaic systems cooling technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 79. P. 192-203.

11. Jordehi A.R. Parameter estimation of solar photovoltaic (PV) cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 61. P. 354-371.

12. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar engineering of thermal processes. New York: John Wiley & Sons, 2013.

13. Sologubov A.Yu., Kirpichnikova I.M. Electrotechnical Complexes of Heliotechnical Devices: a Generalized Classification // Вестник юУрГУ. Серия «Энергетика». Южно-Уральский государственный университет. 2019. Том. 19. № 1. С. 35-42.

14. Siegel M., Klein S., Beckman W. A simplified method for estimating the monthly average performance of photovoltaic systems // Solar Energy. 1981. Vol. 26. P. 413-418.

15. Evans D. Simplified method for predicting photovoltaic array output // Solar Energy. 1981. Vol. 27. P. 555-560.

16. Hove T. A method of predicting long-term average performance of photovoltaic systems // Renew Energy. 2000. Vol. 21. P. 207-229.

17. Good C. Environmental impact assessments of hybrid photovoltaic-thermal (PV/T) systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 55. P. 234-235.

18. Женис М., Кирпичникова И.М. Использование голографических пленок для защиты солнечных модулей от перегрева // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. 2019. Том. 7. № 1. С. 61- 63.

19 Kiflemariam R., Almas M., Lin C. Modeling Integrated Thermoelectric Generator-Photovoltaic Thermal (TEG-PVT) System // Proceedings of the COMSOL conference in Boston, 2014.

20. Moharram K.A. Abd-Elhady M.S., Kandil H.A., El-Sherif H. Enhancing the performance of photovoltaic panels by water cooling // Ain Shams Engineering Journal. 2013. Vol. 4. P. 869-877.

21. Kirpichnikova I.M., Sologubov A.Yu. Multivariable Control of Solar Battery Power by Extremum Seeking: Starting from Linear Analysis // Machines. 2019. 7. 64. D0I:10.3390/machines7040064.

22. Долгошеев В.В., Мартьянов А.С., Коробатов Д.В., Бодрова Е.С. Электротепловая система противообледенения солнечного модуля // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2017. № 10-12 (222-224). С. 24-32.

23. Kirpichnikova I.M., Makhsumov I.B. Investigation of Surface Temperature of Solar Modules Using Holographic Overheating Protection // 2019 IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI). 2019. P. 80-84. DOI: 10.1109 / PEAMI.2019.8915414.

24. Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б. Исследование температуры поверхности солнечных модулей с использованием голографической защиты от перегрева // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2019. Т. 15, № 4. С. 19-30.

Кирпичникова Ирина Михайловна, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, kirpichnikovaim@susu.ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет,

Махсумов Илхом Бурхонович, аспирант, messi. ilhom@,gmail. com, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет

INCREASING ENERGY EFFICIENCY OF WORK OF SOLAR MODULES BY DECREASING SURFACE TEMPERATURE

I.M. Kirpichnikova, I.B. Makhsumov

The article proposes an inexpensive and technologically advanced method of thermal protection of solar modules using structured holographic films, the results of comparative laboratory tests of solar modules using such films are presented. The current-voltage characteristic, taken at various values of illumination, showed the effectiveness of using this method. It is shown that when applying a film to the front surface of the module, its efficiency does not change, and in some cases it even gets better. The film allows you to reduce the surface temperature of the module, which positively affects the efficiency of its work. It was found that the temperature of the module depends on the angle of its inclination to the horizon, which must be taken into account when choosing the location for installing solar panels. The experiments confirmed the assumption of effective protection of the modules from overheating using structured holographic thermal protection and showed its promise.

Key words: Solar energy, overheating of solar modules, degradation, thermal protection, structured holographic films.

Kirpichnikova Irina Mikhailovna, doctor of technical sciences, professor, head of chair, kirpichnikovaim@susu. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University,

Makhsumov Ilkhom Burkhonovich, postgraduate, messi. ilhom@,gmail. com, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University