Обоснование параметров фотоэлектрического теплового модуля

• Автор: Тихонов, Павел Валентинович
• Шифр специальности: 05.14.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1 Обзор основных типов и характеристик фотоэлектрических тепловых модулей и установок на их основе

1.1 Фотоэлектрическая тепловая установка

1.1.1 Фотоэлектрические модули

1.1.2 Солнечные тепловые коллекторы

1.1.3 Тенденции роста рынка солнечной энергетики и его долгосрочные перспективы

1.1.4 Фотоэлектрические тепловые модули и установки на их основе

1.1.5 Влияние температуры на характеристики фотоэлектрических тепловых модулей

1.1.6 Основные типы фотоэлектрических тепловых установок

1.2 Плоские жидкостные фотоэлектрические тепловые модули и установки на их основе
1.2.1 Типы установок на основе фотоэлектрических тепловых модулей
1.2.2 Технологическое развитие фотоэлектрических тепловых модулей и установок на их основе
1.2.3 Основные конструкции фотоэлектрических тепловых модулей и их теоретическая эффективность
1.2.4 Математические модели фотоэлектрических тепловых установок
1.3 Выбор направления исследования
2 Исследование фотоэлектрического теплового модуля и различных установок на его основе
2.1 Оценка распределения энергии приходящей солнечной радиации на выработку электричества и тепла в когенерационном фотоэлектрическом тепловом модуле
2.2 Влияние температуры в широком интервале значений на параметр напряжения холостого хода солнечных элементов
2.3 Определение и обоснование рекомендуемых режимов работы фотоэлектрического теплового модуля в соответствии с требованиями потребителя
2.4 Обоснование и принцип работы схемы солнечной когенерационной установки
2.5 Математическое моделирование установки на основе ФЭТМ
2.5.1 Разработка математической модели
2.5.2 Результаты теоретического исследования разработанной модели

2.5.3 Обоснование толщины и высоты резервуара фотоэлектрического теплового модуля, работающего в составе разработанной технологической схемы
2.6 Механизм установки двухкоордннатного слежения за положением солнца с одним электродвигателем
2.7 Использование ФЭТМ в составе комбинированной системы теплоснабжения на основе теплового насоса
2.8 Выводы по главе
3 Исследование экспериментального плоского фотоэлектрического теплового модуля
3.1 Конструкция экспериментального образца гелиоустановки на основе фотоэлектрического теплового модуля
3.2 Способ оценки производства электроэнергии фотоэлектрической панелью фотоэлектрического теплового модуля
3.3 Разработка комплекса мониторинга основных параметров гелиоустановок с фотопрсобразователями
3.4 Описание натурных исследований экспериментального образца фотоэлектрического теплового модуля
3.5 Результаты натурных исследований экспериментального образца ФЭТМ
3.5.1 Вольт-амперная характеристика фотоэлектрической панели ФЭТМ
3.5.2 Анализ нагрева различных элементов ФЭТМ
3.5.3 Особенности продольного и поперечного расположения модуля
3.5.4 Работа ФЭТМ в составе гелиоустановки
3.6 Выводы по главе
4 Экономическая эффективность применения фотоэлектрической тепловой установки
4.1 Определение характеристик фотоэлектрической тепловой установки, необходимых для обеспечения заданной нагрузки
4.2 Общие положения по оценке экономической эффективности фотоэлектрической тепловой установки
4.3 Оценка экономической эффективности фотоэлектрической тепловой установки
4.4 Выводы по главе
Заключение
Список принятых сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А Показания напряжения холостого хода и тока короткого замыкания
фотоэлектрической панели ФЭТМ
Приложение Б Справка о внедрении результатов диссертационного исследования

ВВЕДЕНИЕ
При нынешнем развитии техники человеку трудно даже представить, как можно обходиться без привычных для него благ цивилизации. Современные достижения обеспечивают высокий уровень жизни и комфорта для человека, проживающего в странах с развитой и развивающейся экономикой. Чтобы поддерживать этот уровень необходимо большое количество энергии. В соответствии с нормативами потребления услуг жилищно-коммунального хозяйства, разработанными Институтом экономики ЖКХ совместно с Управлением социально-экономического развития Министерства экономики Российской Федерации [1], минимальная норма горячей воды, расходуемо]'! на санитарно-гигиенические и хозяйственные нужды, на одного человека составляет 105 л в сутки (при температуре горячей воды +55 °С), а потребление электрической энергии в среднем на одного человека в сутки составляет около 1,4 кВт ч. Большая часть затрачиваемой на эти нужды энергии производится, в основном, на генерирующих станциях, работающих на органическом ископаемом топливе.
Ресурсы ископаемых видов топлива расходуются высокими темпами. Уже в этом столетии их дефицит может существенно сказаться на жизни людей, в связи с чем в качестве альтернативы особое внимание уже сейчас уделяется возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) [2]. Основными преимуществами возобновляемых источников являются неисчерпаемость и экологическая чистота эксплуатации большинства установок на их основе. Именно эти свойства определяют перспективность данного направления.
Актуальность работы
В настоящее время работы по вовлечению в хозяйственный оборот ВИЭ в Российской Федерации получают все большее развитие, что соответствует общемировой тенденции. Особое значение имеет развитие технологий прямого преобразования солнечного излучения (СИ) в электрический ток, реализуемых в фотоэлектрических модулях (ФЭМ). Мировая практика показывает, что именно этот сектор ВИЭ развивается наиболее высокими темпами.
В ФЭМ для выработки электроэнергии используется только часть приходящей солнечной радиации (КПД широко распространённых ФЭМ из кристаллических кремниевых СЭ оценивается в 14-19%), остальная - рассеивается в виде теплоты в окружающее пространство. Проблема более полного использования энергии приходящего СИ решается путём интеграции фотоэлектрических (ФЭ) панелей и солнечных коллекторов (СК) в одно технологическое устройство - создания нового типа установок, так называемых фотоэлектрических тепловых модулей (англ., «photovoltaic thermal modules»). В таких модулях солнечная энергия за счёт полупроводниковых фотопреобразоватслей преобразуется в электричество, а за счёт теплового абсорбера - в тепло. Более полное использование энергии

Физический смысл фотонной плотности излучения - это количество фотонов соответствующей длины волны, поступающих на площадь 1 м2 в секунду. Кривая спектральной зависимости фотонной плотности, построенная по вычисленным данным, представлена на рисунке 2.1.
энергия фотонов, эВ
Рисунок 2.1 - Спектральное распределение фотонной плотности стандартного СИ
Современные ФЭП имеют сложную многослойную структуру, что необходимо для достижения высоких технических характеристик. Каждая структура ФЭП может существенно отличаться друг от друга. По этой причине оценку распределения и генерации энергии в ФЭП при воздействии на него СИ необходимо проводить с учетом преобразований, происходящих в каждой его структуре.
Для рассмотрения примем стандартную структуру СЭ на основе кремния. Концепции, которые будут сформулированы при проведении данной оценки на примере монокристаллического кремниевого элемента, приемлемы и для других гомогенных ФЭП, поскольку их структуры во многом схожи.
Оценку преобразований, происходящих в структурах ФЭП, нужно начать с рассмотрения оптических потерь в СЭ, причинами которых являются частичное отражение СИ от рабочей поверхности элемента и затенение контактной сеткой.
Отражение солнечного света, падающего на поверхность кристаллического кремниевого СЭ, не имеющего просветляющего покрытия, составляет около 30 %. Однослойное просветляющее покрытие может уменьшить долю отраженного СИ до значений 10%, а двухслойное до 3 % [85]. Расчеты проведем для ФЭ панели, состоящей из ФЭП с коэффициентом отражения СИ от элемента равным 0,07. В производимых расчетах также примем, что используется просветляющее покрытие, коэффициент поглощения которого равномерен по всей части солнечного спектра. Тогда спектральное распределение СИ за просветляющим покрытием определится в соответствии с выражением
^ЭН„.ПП =ЯЭПп ' 0 ~Ктр)’ (2.2)