Приусадебная солнечная электростанция с охлаждаемыми фотоэлектрическими модулями

УДК 620.92

ПРИУСАДЕБНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ОХЛАЖДАЕМЫМИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МОДУЛЯМИ

© 2017г. А.В. Жарков, А.М. Королев

Эффективность работы солнечных электростанций (СЭС) в значительной степени определяется КПД фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и существенно зависит от их температуры. Для наиболее современных ФЭП было достигнуто наибольшее значение КПД - 24%. Основной причиной снижения КПД является нагрев ФЭП. Для расширения внедрения солнечных электростанций необходимо повышение КПД ФЭП и снижение их себестоимости. Для приусадебной СЭС наиболее приемлемым является фотоэлектрический модуль (ФЭМ) цилиндрической формы с охлаждающей жидкостью, например, водой. Приусадебная СЭС из ФЭМ цилиндрической формы установлена на крыше здания под углом к горизонту, равным географической широте местности. Солнечный свет свободно проходит через внешнюю прозрачную трубку, изготовленную из крепкого боросиликатного стекла, которое обеспечивает пропуск волн солнечной радиации в диапазоне 0,4-2,7 мкм, и попадает на ФЭП, расположенные на внутренней стеклянной трубке меньшего диаметра, которые генерируют электрическую энергию. ФЭП изготовлены из полупроводникового материала, который можно наносить тонкой пленкой непосредственно на стекло. Такая конструкция ФЭМ обеспечивает увеличение количества поглощенного света (а следовательно, и количества генерированной электроэнергии) на протяжении дня, без изменения его положения. Охлаждающая жидкость, проходя по трубкам, отбирает тепло, снижая рабочую температуру ФЭП, чем обеспечивает увеличение его КПД. Движение охлаждающей жидкости в ФЭМ от нижней к верхней части коллектора обеспечивается по принципу термосифона. Предложенная схема приусадебной СЭС с использованием запатентованного нами ФЭМ, охлаждаемого жидкостью, имеет высокий КПД при относительно низкой стоимости. Использование воды в качестве охлаждающей жидкости позволяет выполнить охладительный контур открытым, а подогретую воду использовать для хозяйственных потребностей.

Ключевые слова: солнечная электростанция, усадьба, фотоэлектрический модуль, фотопреобразователь, охлаждение, эффективность.

The operation efficiency of solar power plants (SPP) is largely determined by the efficiency of photoelectric converters (PEC) and depends significantly on their temperature. For the most modern PEC, the highest achieved efficiency coefficient was 24%. The main reason for the reduction in efficiency coefficient is the heating of the PEC. To expand the introduction of solar power plants, it is necessary to increase the efficiency coefficient of the PEC and reduce their prime cost. For a household SPP, the most acceptable is a photoelectric module (PEM) of cylindrical shape with, for example, water as cooling liquid. Household SPP that is made of cylindrical form PEM is installed on the building roof at angle to the horizon, that is equal to the geographical latitude of the terrain. Sunlight freely passes through an outer transparent tube made of strong borosilicate glass, which ensures the passage of solar radiation waves in the range 0.4-2.7 дт, and falls on the PECs, located on the inner glass tube of smaller diameter, which generate electrical energy. PECs are made of a semiconductor material, which can be applied as thin film directly on the glass. Such PEM construction provides increase in the amount of absorbed light (and, consequently, the amount of generated electricity) throughout the day, without changing its position. Cooling fluid passing through the tubes takes heat, reducing the operating temperature of the PEC, and provides an increase of its efficiency coefficient. The movement of coolant in the PEM from the bottom to the top of the collector is provided by the ther-mosyphon principle. The proposed scheme of a household SPP with the use of our patented PEM that is cooled by liquid has a high efficiency coefficient at relatively low cost. The use of water as a coolant allows the cooling circuit to be opened and to use heated water for economic needs.

Keywords: solar power station, homestead, photoelectric module, photoconverter, cooling, efficiency.

Введение. На территории Европы солнечная энергетика является самым быстроразвивающимся направлением в области возобновляемых источников энергии. Солнечные фотоэлектрические электростанции, даже обладая низким КПД, имеют целый ряд преимуществ перед традиционными источниками электроэнергии и уже сейчас являются конкурентоспособ-

ными [1-5]. Эффективность работы солнечных электростанций (СЭС) в значительной степени определяется КПД фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и существенно зависит от их температуры.

В результате многолетней модернизации структуры ФЭП было достигнуто наивысшее значение КПД - 24% (рисунок 1) [6]. В качестве наиболее вероятных

материалов для изготовления ФЭП рассматриваются кремний и арсенид галлия. При нагреве ФЭП на один градус сверх 25 °С он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4%/градус. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70 °С, теряя 0,07-0,09 В каждый [6]. Это и является основной причиной снижения КПД, который приводит к падению напряжения, генерированного каждым ФЭП [6-9]. Для расши-

рения внедрения СЭС необходимо повышение КПД ФЭП и снижение их себестоимости [9].

Целью статьи является обоснование и разработка эффективной схемы приусадебной СЭС с использованием запатентованного нами фотоэлектрического модуля (ФЭМ) цилиндрической формы с жидкостным охлаждением [11].

%

Рисунок 1 - Эволюция эффективности ФЭП (%

Методика иследований. Известен солнечный фотоэлектрический модуль цилиндрической формы Solyndra (от английских слов «солнечный» и «цилиндр»), который содержит две стеклянных трубки. Трубка меньшего диаметра покрыта тонкой пленкой полупроводникового материала и помещена в такую же трубку большего диаметра [10]. Такая форма позволяет увеличить количество поглощенного света (а следовательно, и электроэнергии) на протяжении дня без изменения положения конструкции фотомодуля [9].

В Таврическом государственном аг-ротехнологическом университете разработано и запатентовано несколько конструкций ФЭМ цилиндрической формы. Анализ разработок [10] показал, что для приусадебной СЭС наиболее приемлемым является ФЭМ цилиндрической формы с охлаждающей жидкостью, например, водой [11].

Техническая сущность полезной модели объясняется графическим материа-

годы

лом. На рисунке 2 изображена структурная схема разработанной приусадебной СЭС [10] с ФЭМ цилиндрической формы [11].

Запатентованная нами приусадебная СЭС содержит батарею 1 из нескольких ФЭМ 2 цилиндрической формы, объединенных общим охладительным коллектором 3, аккумулятор 4, контроллер 5, инвертор 6. Потребители постоянного тока 7 присоединены к выходу контроллера непосредственно, а потребители переменного тока 8 присоединены через инвертор 5 [12].

Объединение ФЭМ 2 в батарею 1 с общим охладительным коллектором 3 увеличивает производительность СЭС при повышенном КПД. Наличие контроллера 5 обеспечивает управление процессом заряда-разряда аккумулятора 4 и питание электроприемников 7 постоянного тока, наличие инвертора 6 обеспечивает питание электроприемников 8 переменного тока.

На рисунке 3 представлены продольный и поперечный разрезы солнечного ФЭМ цилиндрической формы [11].

Рисунок 2 - Схема приусадебной СЭС

9

А-А

Рисунок 3 - Фотоэлектрический модуль цилиндрической формы

Солнечный ФЭМ цилиндрической формы [11] содержит две стеклянных трубки 9, 10, соединенные между собой по типу сосуда Дьюара. Внутренняя трубка 9 покрыта тонкой пленкой полупроводниковых ФЭП 11 и коаксиально, с зазором, помещена во внешнюю прозрачную стеклянную трубку 10 большего диаметра с электрическими гермоконтактами (не показанными), похожими на те, которые используются в люминесцентных лампах. Ваку-

умная полость 12 между стеклянными трубками 9, 10 обеспечивает теплоизоляцию полупроводниковых ФЭП 11 от конвекционного нагрева за счет окружающей среды. Пространство внутренней стеклянной трубки 9 наполнено охлаждающей жидкостью 13, например, водой, с общим коллектором 3.

Приусадебная СЭС из ФЭМ цилиндрической формы работает следующим образом [12]. Батарея 1 из ФЭМ 2 установле-

на на крыше здания под углом к горизонту, равным географической широте местности. Солнечный свет свободно проходит через внешнюю прозрачную трубку 10, изготовленную из крепкого боросиликатного стекла, которое обеспечивает пропуск волн солнечной радиации в диапазоне 0,42,7 мкм, и попадает на ФЭП 11, расположенные на внутренней стеклянной трубке 9 меньшего диаметра, которые генерируют электрическую энергию. ФЭП 11 изготовлены из полупроводникового материала, который можно наносить тонкой пленкой непосредственно на стекло.

Такая конструкция ФЭМ 1 обеспечивает увеличение количества поглощенного света (а следовательно, и количества генерированной электроэнергии) на протяжении дня, без изменения его положения.

На поверхность ФЭМ 1 цилиндрической формы свет попадает под прямым углом в виде трех составляющих: прямого света, рассеянного света и отбитого света от поверхности, на которой расположен ФЭМ 1. Солнечный свет, который попадает на ФЭМ 1, вызывает нагрев ФЭП 11 ^1, Q2 на рисунке 3), а охлаждающая жидкость 13, отбирая тепло Q3, снижает рабочую температуру ФЭП 11, чем обеспечивает увеличение его КПД, и по принципу термосифона поступает к верхней части коллектора 3.

Если в качестве охлаждающей жидкости 13 используется вода, то после подогрева она может использоваться для хозяйственных потребностей, например, для орошения растений, для душа, мытья посуды и т.п., а к нижней части охладительного коллектора будет поступать свежая вода из водопровода.

Выводы. Предложенная схема приусадебной СЭС с использованием запатентованного нами фотомодуля, охлаждаемого жидкостью, характеризуется высоким КПД при относительно низкой стоимости. Использование воды в качестве охлаждающей жидкости позволяет охладительный контур выполнить открытым, а подогретую воду использовать для хозяйственных потребностей, например, для орошения растений, для душа, мытья посуды и т.п.

Литература

1. Безруких, П.П. Эффективность возобновляемой энергетики. Мифы и факты / П.П. Безруких // Вестник аграрной науки Дона. - 2015. - № 1 (29). - С. 5-17.

2. Даус, Ю.В. Оценка потенциала использования энергоустановок на основе преобразования солнечной энергии на примере г. Волгограда / Ю.В. Даус, С.А. Ракитов, И.В. Юдаев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - № 2 (42). -С.261-267.

3. Habtamu, B. Madessa, Trygve Veslum, Jorgen Lovseth, Ole J. Nydal. Investigation of solar absorber for small scale solar concentrating parabolic dish // ISES Solar World Congress 2011, 28 Aug. - 2 Sept., Kassel, Germany.

4. Юдаев, И.В. Опыт использования ВИЭ на сельских территориях и в рекреационных зонах в регионах ЮФО / И.В. Юдаев // Вестник аграрной науки Дона. - 2015. - № 1 (29). - С. 82-92.

5. Belenov, A.T. The experience of operation of the solar power plant on the roof of the administrative building in the town of Kamyshin, Volgograd oblast / A.T. Belenov, V.V. Kharchenko, S.A. Rakitov, Y.V. Daus, I.V. Yudaev // Applied Solar Energy. - 2016. - Т. 52. - № 2. - С. 105-108.

6. Ефимов, В.П. Фотопреобразователи энергии солнечного излучения нового поколения / В.П. Ефимов // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т. 8. -№ 2. - С. 100-115.

7. EPIA Report «Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017» EN [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.google.com.ua/search?client.

8. Развитие гелиоэнергетики в мире и в Украине // Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования: сборник научных трудов / под ред. И.В. Юдаева и др. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2014. - С. 81-89.

9. Жарков, В.Я. Совершенствование фотомодулей приусадебных солнечных электростанций / В.Я. Жарков // Вестник

аграрной науки Дона. - 2015. - № 1(29). -С. 59-69.

10. Солнечный фотоэлектрический модуль цилиндрической формы Solyndra [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/13126.

11. Пат. 97080 UA, МПК (2015.01) H01L31/00. Сонячний фотоелектричний модуль цилшдрично! форми / Жарков В.Я., Дiордiев В.Т., Санша О.С., Шхтарь О.В.; заявл. 09.10.2014; опубл. 25.02.2015, Бюл. № 4.

12. Пат. 103043 UA, МПК (2015.01) H01L31/00 H02J7/35. Присадибна сонячна електростанщя з фотоелектричними модулями цилшдрично! форми / Жарков В.Я., Жарков А.В., Орловський 1.А., Шхтарь О.В., Галько С.В.; заявл. 07.07.2015; опубл. 25.11.2015, Бюл. № 22.

References

1. Bezrukih P.P. Jeffektivnost' vozobnovljaemoj jenergetiki. Mify i fakty [Efficiency of renewable energy. Myths and Facts], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2015, No. 1 (29), pp. 5-17.

2. Daus Ju.V., Rakitov S.A., Judaev I.V. Ocenka potenciala ispol'zovanija jenergousta-novok na osnove preobrazovanija solnechnoj jenergii na primere g.Volgograda [Potential evaluation of applying power installations based on solar energy conversion on the example of Volgograd], Izvestija Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie, 2016, No. 2 (42), pp. 261-267.

3. Habtamu B. Madessa, Trygve Veslum, Jorgen Lovseth, Ole J. Nydal. Investigation of solar absorber for small scale solar concentrating parabolic dish, ISES Solar World Congress 2011, 28 Aug. - 2 Sept., Kassel, Germany.

4. Judaev I.V. Opyt ispol'zovanija VIJE na sel'skih territorijah i v rekreacionnyh zonah v regionah JuFO [Experience of RES using in rural areas and recreational areas in regions of the Southern Federal District], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2015, No. 1 (29), pp. 82-92.

5. Belenov A.T., Kharchenko V.V., Rakitov S.A., Daus Y.V., Yudaev I.V. The experience of operation of the solar power plant on the roof of the administrative building in the town of Kamyshin, Volgograd ob-last, Applied Solar Energy, 2016, Vol. 52, No. 2, pp. 105-108.

6. Efimov V.P. Fotopreobrazovateli jenergii solnechnogo izluchenija novogo pokolenija [Solar energy photoconverters of new generation], Fizika i tehnika poluprovod-nikov, 2010, Vol. 8, No. 2, pp. 100-115.

7. EPIA Report «Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017» EN, available at: https://www.google.com.ua/search7client.

8. Razvitie geliojenergetiki v mire i v Ukraine [Development of solar energetics in the world and in Ukraine], Jenergosberega-jushhie tehnologii. Problemy ih jeffektivnogo ispol'zovanija: sbornik nauchnyh trudov, pod red. I.V. Judaeva and others, Volgograd, FGBOU VPO Volgogradskij GAU, 2014, pp. 81-89.

9. Zharkov V.Ja. Sovershenstvovanie fotomodulej priusadebnyh solnechnyh jele-ktrostancij [Improving PV modules of household solar power plants], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2015, No. 1(29), pp. 59-69.

10. Solnechnyj fotojelektricheskij modul' cilindricheskoj formy Solyndra [Solar photoelectric module of cylindrical shape Solyndra], available at: http://www. membra-na.ru/particle/13126.

11. Zharkov V. Ja., Diordiev V.T., Sanina O.S., Pihtar' O.V. Sonjachnij foto-elektrichnij modul' cilindrichnoi formi [Solar photoelectric module of cylindrical shape], Patent 97080 UA, MPK (2015.01) H01L31/00, zajavl. 09.10.2014, opubl. 25.02.2015, Bjul. No. 4.

12. Zharkov V.Ja., Zharkov A.V., Or-lovs'kij I.A., Pihtar' O.V., Gal'ko S.V. Pris-adibna sonjachna elektrostancija z foto-elektrichnimi moduljami cilindrichnoi formi [Household solar power plant with photoelectric module of cylindrical shape], Patent 103043 UA, MPK (2015.01) H01L31/00 H02J7/35, zajavl. 07.07.2015, opubl. 25.11.2015, Bjul. No. 22.

Сведения об авторах

Жарков Антон Викторович - инженер ООО «ЮБС - Холод», соискатель Таврического государственного агротехнологического университета (г. Мелитополь, Украина). Тел.: +38-050-3434180. E-mail: a.zharkov@beer-co.com.

Королев Антон Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: +7-918-574-83-32. E-mail: kam5509@yandex.ru.

Information about the authors

Zharkov Anton Viktorovich - engineer Ltd. «UBS-Holod», competitor of the Tav-richeskiy State Agrotechnological University (Melitopol, Ukraine). Phone: + 38-050-3434180. E-mail: a.zharkov@beer-co.com.

Korolev Anton Mikhailovich - Candidate of Technical Science, associate professor of the Electrical power engineering and electrical engineering department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: + 7-918-574-83-32. E-mail: kam5509@yandex.ru.