Диссертация (Исследование систем энергоснабжения на основе солнечной энергии для потребителей в отдаленных районах в Боливарианской Республике Венесуэла), страница 12

Анализ изменения различных параметров системы водяногоохлажденияОсновнымипараметрами,которыевлияютнаработусистемыохлаждения СМ, являются: диаметр трубы, массовый расход воды,поступление СР, температура входящей воды, температура окружающейсреды и длина трубы.93Для определения степени влияния различных параметров системыводяного охлаждения был проведен параметрический анализ эффективностиохлаждения кремниевого СМ и СМ с голографическим концентратором.Расчеты проводились по зависимостям (3.10) – (3.24) в соответствиис параметрами системы охлаждения двух типов СМ, приведенной в [52]:-42C S  = 0,7;  À À  = 0,1; c t s  À  = 0,15;  À S  = 0,05; с = 5∙10 ; UAa = 1 Вт/м ∙K;UAF = 200 Вт/м2∙K; USA= 100 Вт/м 2∙K; USa = 6 Вт/м2∙K; k = 385 Вт/м.К (длямеди); Cp = 4200 Дж/кг∙К; δ= 5∙10 -4 м.С целью определения эффективности СМ были проанализированыразличные системные параметры, в частности, диаметр трубы, массовыйрасход воды и поступление СР как наиболее важные.

Варьирование этихпараметров приводит к различным изменениям теплового КПД.На рис. 3.8 видна зависимость W/D системы охлаждения кремниевогоСМ (где W ̶ постоянная величина) строится для того, чтобы показать, какопределенный диаметр трубы влияет на тепловой КПД. D был измененот 0,01 м до 0,07 м. Как видно, тепловой КПД системы охлаждения падаетс 60,81% при W/D 1,42 до 47% при W/D равном 10. Это значение тепловогоКПД увеличивается, когда диаметр трубы уменьшается.636159ɳA, %575553514947451,421,66722,53,333510W/DРис. 3.8. Тепловой КПД в зависимости от диаметра трубы94На рис. 3.9 показан тепловой КПД, когда массовой расход водыувеличивается с 3∙10-5кг/с до 0,1 кг/с.

В этом случае наибольшее значениеɳA было 60,90%, а наименьшее значение было 52,58%. Очевидно, что расходводы играет важную роль в тепловом КПД системы охлаждения кремниевогоСМ.6260ɳA, %58565452500,000030,00030,0030,030,1m, кг/сРис. 3.9. Тепловой КПД в зависимости от массового расхода воды646260ɳA, %585654525048464420030040050060070080090010001100R, Вт/м2Рис. 3.10. Тепловой КПД в зависимости от прихода солнечной радиации95На рис. 3.10 показано изменение теплового КПД в зависимостиот прихода СР. При изменении поступления СР с 200 Вт/м 2 до 1100 Вт/м2тепловая эффективность увеличивается с 52,35% до 61,69%. Разница междуэтими значениями составляет 9,34%, она считается высокой. То есть,эффективность зависит от интенсивности солнечного излучения.Анализ остальных параметров показывает, что при повышениитемпературы входящей воды с 287 K до 315 K эффективность снижаетсяс 60,99% до 60,18%, а при повышении температуры окружающей средыс 287 K до 315 K – с 61% до 60,18%.

В случае изменения длины трубы с 1,5 мдо 2 м эффективность также незначительно снижается с 60,82% до 60,79%.Результаты расчетов показали, что наибольшее влияние имеютследующие параметры: массовый расход, диаметр трубы и поступление СР,то есть при увеличении этих параметров тепловой КПД существенноповышается.

Все вышеперечисленные условия могут быть использованы дляоптимального применения системы охлаждения СМ. Следует отметить, чтоинтересным моментом является то, что вариации температуры входящейводы были существенными, но, тем не менее, эффективность снизиласьнезначительно.Приведенныйанализпоказал,чтооптимальнымипараметрамитеплообменника СМ являются: m – массовый расход воды, 0,003 кг/с;W – расстояние между соседними трубами, 0,1 м; Lт – длина трубы, 1,65 м;Tвх – температура входящей воды, 287 К; D – диаметр трубы, 0,07 м.3.5.

Характеристики солнечного модуля с концентратором в виделинзы Френеля3.5.1. Общие положенияТехнология электрических модулей с высокой степенью концентрации(HCPV) основана на использовании дешевых оптических приборов (линз илизеркал), которые фокусируют солнечные лучи на СЭ высокой эффективностис целью уменьшения поверхности элемента, который является самым96дорогим устройством в модуле и, следовательно, уменьшить затратына производство электроэнергии. Одним из преимуществ этих СМ являетсято, что они имеют высокий КПД; благодаря этому можно вырабатыватьбольшее энергии по сравнению с кремниевым СМ, с одинаковой площадью.Типичный модуль HCPV главным образом сочетает в себе следующиеэлементы:Солнечный элементЭти элементы состоят из нескольких p-n переходов (двух или трех),поэтому их называют трехпереходными, а также трехкаскадными.

В ниходиночные фотоэлементы (каскады) располагают друг за другом такимобразом, что солнечный свет сначала попадает на верхний элемент, которыйпоглощает фотоны с наибольшей энергией, т.е. синий свет (см. рис. 3.11)[67]. Пропущенный верхним элементом свет проникает на следующийуровень и т.д. Поскольку многопереходные СЭ работают со значительнобольшей частью солнечного спектра, эффективность СЭ у них выше, чему однопереходных, и составляет около 44%.Рис. 3.11. Доля спектра солнечного излучения преобразуемого трехпереходным СЭМногопереходные СЭ играют важную роль в технологии HCPV,потому что они являются частью системы, которая имеет доминирующее97влияние на итоговую эффективность. Из-за этого недавние последниеисследования, направленные на поиск новых материалов, и многослойныеСЭ с большим количеством p-n переходов, находятся в стадии разработкис целью повысить итоговую эффективность СЭ [67,68].Оптические приборыЛинзы и зеркала используются для увеличения прихода солнечногоизлучения на СЭ.

Выделяют первичный оптический и вторичный оптическийэлементы (необязательный). Первичный оптический элемент собираетпрямые солнечные лучи и фокусирует их на конкретной области, называемойлинзойФренеля,авторичныйоптическийэлементполучаетсветот первичного для гомогенизации света на поверхность СЭ и улучшенияобщего углового приема модулем.Система охлажденияСистема охлаждения необходима в модулях HCPV для ограниченияи снижения рабочей температуры СЭ. Теплообменник способствуетрассеиванию произведенного тепла от высоких температур СЭ, возникающихна поверхности СЭ с концентраторами.

Эти модули широко используютрадиатор для пассивного охлаждения ̶ он используется в большинствеслучаев из-за своей простоты и надежности.3.5.2. Эквивалентная электрическая схема многослойного солнечногоэлементаМногопереходный СЭ представляет собой ряд последовательносоединенных р–n переходов. Каждый переход может быть представленв эквивалентной схеме. На рис. 3.12 приведен пример эквивалентной схемытрехпереходного СЭ путем соединения трех р–n переходов последовательно.98Рис. 3.12. Электрическая схема замещения многослойного СЭУчитывая схему, плотность тока каждого перехода может бытьматематически выражена следующим образом.I  I Ф ,i q U i  I .

R П , i   U i  I .RП ,i I 0,i  e А. к.Т  1 ,RШ,i(3.25)где i– порядковый номер перехода (1= верхний слой, 2= средний слой,3= нижний слой). Каждый переход характеризуется набором из следующихпараметров: I – ток нагрузки, А; Iф,i – фототок, протекающий через p-nпереход, А; I0,i – обратный ток насыщения, А;Ui – выходное напряжение, В;Rш.i –шунтирующее сопротивление СЭ,Ом; RП.i – последовательноесопротивление СЭ, Ом; q – заряд электрона, равный1,6·10-19 Кл;k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К = 0,86·10-4 эВ/К;99А – параметр ВАХ СЭ, называемый диодным фактором; Т – абсолютнаятемпература СЭ, K.Общее напряжение многоперехого СЭ, несмотря на уменьшениенапряжения на туннельных переходах, может быть получено просто путемсложения напряжений каждого перехода, как показано ниже:nU  U ii 1,(3.26)Параметры схемы, описанные ранее, зависят от эксплуатационныхусловий, таких как концентрация СР и температура СЭ.

В то же время, такиемногопереходные СЭ обычно изготовлены монолитно и включают в себятолько две электрические клеммы. Из-за этого отдельные измеренияотдельных переходов и определение их параметров является сложнойзадачей.3.5.3. Влияниетемпературынаэнергетическиехарактеристикисолнечного модуля с концентратором в виде линзы ФренеляРабочаятемпературапроизводительность.полупроводников,температуры.ЭтоСЭмодулеобъясняетсясоставляющихНесмотрявнаэто,СЭ,влияетHCPVтем,чтозапрещеннаяуменьшаетсямодулиHCPVнасегозонаувеличениемзначительноменеечувствительны к высокой температуре окружающей среды благодаря ихнизкому температурному коэффициенту мощности.

В определенных случаяхпотери КПД составляет примерно одну треть от обычно используемыхкристаллических кремниевых СМ [69-70].С другой стороны, из-за высокой концентрации СР, температураповерхности трёхпереходного СЭ может достигать очень высоких значений,если только не обеспечено очень хорошее термальное управление. Высокиетемпературы приводят к потере КПД и меньшей надежности, поэтому длятрёхпереходного СЭ теплоотвод является очень важной частью конструкции100модуля.

Охлаждение СЭ является обычно пассивным, обеспечившитеплоотвод при умеренной стоимости системы.Таким образом, знание температуры СЭ является важным дляхарактеристики поведения модулей HCPV. Способы измерения температурымогут быть классифицированы на методы, основанные на прямыхизмерениях на модулях (электрические параметры, температура теплоотводаи др.) и методы, основанные на атмосферных параметрах (прямая СР,температура окружающей среды и др.). Методы, основанные на атмосферныхпараметрах имеют преимущества, позволяющие определить температурумодуля HCPV в конкретном регионе напрямую без измерения параметровСМ.Благодаряэтомуониявляютсяполезныминструментомдляэнергетического прогноза работы систем HCPV в определенном месте, еслиимеются атмосферные данные. Учитывая это, целесообразно рассчитатьтемпературу СМ по следующей формуле:Т см  Т о.с  a.Rпр  b.V,(3.27)где То.с – температура окружающей среды, °C; RПР – поступление прямой СР,Вт/м2; V – скорость ветра, м/с; a и b – коэффициенты конкретного модуля,полученные экспериментальным путем, °C/Вт.м-2.

и °C/м.с-1. Несмотряна свою простоту это уравнение демонстрирует хорошие результаты приоценке температуры СЭ и ее применение для оценки электрическихпараметров модуля HCPV [69-70]. Стоит отметить, что это уравнение нельзяприменять для модулей на основе механизма с активным охлаждением,так как в уравнение (3.27) должны быть включены дополнительныепараметры, учитывая тепло, удаляемое с СЭ.КПД солнечного модуля с концентратором в виде линзы Френелярассчитается по формуле (3.8).1013.6.Анализ энергетической эффективности применения разных типовсолнечных модулей для условий области Альта ГуахираКПД СМ является одним из важных параметров для того, чтобыопределить их вырабатываемую энергию.

Соответственно, КПД СМ такжезависит от таких факторов, как температура, СР и другие. По этой причинетемпература может значительно влиять на КПД СМ. Поэтому былипроведены исследования, направленные на анализ влияния температурына характеристики СМ различного типа.Расчеты производились в 13 часов, когда максимум температурывоздуха достигал 29°C, а приход СР составлял 1,010 (кВт)/м2. При этомрассматривались кремниевый СМ и СМ с голографическим концентраторомс системой водяного охлаждения и без нее, и СМ с концентратором в виделинзы Френеля.Результаты расчётов для СМ на основе кристаллического кремнияпроводились по зависимостям (3.11)-(3.24) и проведены на рис.