Гибридная фото-термоэлектрическая система селективного излучения с защитным блоком

DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-4.12-17

АННОТАЦИЯ

В данной работе приведена принципиальная схема высокоэффективного фототермогенератора селективного излучения с защитным блоком. Описаны принцип работы системы и конструкция защитного блока. Приведены результаты экспериментов, проведенных в условиях селективного и обычного освещения.

ABSTRACT

This paper presents a schematic diagram of a highly efficient selective radiation photothermogenerator with a protective block. The principle of operation of the system and the design of the protective block are described. The results of experiments carried out under selective and conventional illumination are presented.

Ключевые слова: фототермогенератор, селективное излучение, температурный фактор, фотоактивный спектр.

Keywords: photothermogenerator, selective radiation, temperature factor, photoactive spectrum.

Введение

Главным недостатком фото- и термоэлектрических преобразующих установок является невысокая эффективность преобразования потока солнечного излучения в электрическую энергию [17; 19; 16; 12; 14]. Это связано с наличием нескольких факторов, таких как длина волны света, рекомбинация носителей заряда, температура солнечного элемента, отражение излучения от поверхности преобразователя [9; 7; 18; 8] и т.д.

Среди вышеупомянутых температура солнечного элемента является одним из самых негативно влияющих факторов. В связи с этим известны технические решения, так называемые термофотоэлектрические системы, использующие фото- и термоэлектрические преобразователи одновременно для получения электроэнергии. Их применение помогает повысить КПД фотопреобразования, устраняя избыточную температуру фотоэлемента. Ученые из Саудовской Аравии, Сахин [3] и другие, разделили такие системы по принципу работы на два типа. На одних из них используется спектральное расщепление излучения для направления его на PV и на TEG по частям. А на других PV напрямую подключается к TEG, чтобы TEG использовал остаточное тепло, генерируемое PV-системой, для генерации дополнительной энергии. В работах [5; 15] по созданию комбинированных гибридных PV-TEG-систем авторы описывали крепление термоэлементов непосредственно на заднюю сторону фотоэлемента. Однако в таких системах вклад термопары в общую эффективность системы не может компенсировать ухудшение свойств фотоэлементов с повышением температуры, поэтому некоторые авторы [20] теоретически доказали, что использование этих систем технически и экономически нецелесообразно. Но ряд авторов смогли создать экспериментальную модель гибридных систем и получить весьма положительные результаты [11], что показывает многообещающую перспективу этих систем. Аналогичные результаты были получены со стороны ученых из Пакистана – С.А. Ахмад и др. [10]. Опубликованный ими материал по содержанию очень похож на предыдущую работу. Они также приводят свои соображения и выводы по конструкции аналогичной системы. Основная разница заключается в том, что в этой работе отсутствует светоконцентрирующая система и устройство расположено стационарно.

Но, несмотря на активные исследования, полученные показатели производительности существующих устройств не оправдывают ожиданий ученых. Поэтому ведутся работы по созданию более совершенной конструкции фотопреобразователей с различными техническими решениями. Но все известные модели обычно имеют ряд недостатков:

– перегрев под воздействием бездействующих и прямых лучей на поверхности панели;

– снижение КПД из-за резкого увеличения силы света;

– необходимость всегда использовать один и тот же тип фотоэлектрических батарей в каждом устройстве и т.д.

Предлагаемое техническое решение

Результаты исследований по созданию высокоэффективных устройств привели к созданию более совершенного образца (рис. 1) фототермогенератора селективного излучения, способного решить вышеуказанные проблемы: повышение и стабилизация значения эффективности, устранение температурных факторов, которые негативно влияют на электрофизические параметры полупроводниковых материалов.

В предлагаемой конструкции фототермогенератора световое излучение разделяется так, что фотоактивная часть спектра излучения, создающая электронно-дырочные пары, попадает на фронтальную поверхность фотоэлектрического преобразователя. Остальная часть излучения, поступая на верхние горячие коммутационные пластины термоэлементов, дополнительно преобразуется в электрическую [2]. Она более эффективна, чем существующие аналоги, благодаря тому, что направление селективного излучения исключает перегрев солнечных элементов и, следовательно, обеспечивает стабильность преобразования фотоэлектрической энергии. Концентрация солнечного излучения уменьшает площадь солнечных панелей. Кроме того, происходит дополнительное преобразование тепла с помощью термоэлектрического преобразователя, что приводит к увеличению общего значения КПД системы.

Техническим результатом данного изобретения является принципиально новая конструкция фототермогенератора селективного излучения с подвижной щелью с использованием концентраторов, набора линз, автоматизированной системы слежения за солнцем, системы спектрального разделения и определения фотоактивных частей спектра, которая позволяет преобразовывать часть концентрированного селективного излучения с помощью фотоэлектрических батарей, а остальную с помощью термоэлектрических модулей – в электрическую энергию.

Рисунок 1. Фототермогенератор селективного излучения с автономной системой слежения за солнцем и защитным блоком:

1 – концентратор; 2 – световой поток, падающий на поверхность концентратора; 3 – вторичный отражатель; 4 – вторично отраженный поток света; 5 – щель концентратора для прохождения лучей; 6 – фототермогенератор с плавающей щелью; 7 – подъемная система для регулировки угла наклона системы по вертикали; 8 – опорная подложка системы; 9 – двигатель для регулировки угла наклона системы по горизонтали

На рис. 1 показана схема предлагаемого фототермогенератора. Система имеет концентратор 1 для концентрирования падающих солнечных лучей 2, вторичный отражатель 3, направляющий концентрированное излучение к коллиматору 5 для создания параллельного потока света из вторично отраженного потока света 4 и фототермогенератор 6.

Еще одно отличие этой конструкции от других – использование в ней защитного блока, в котором размещены фотоэлементы, защищенные от побочных эффектов, определение оптимальных координат фотоэлемента относительно подвижной щели 2 с помощью автоматизированной системы. Кроме этого, предлагается не разделять спектр, а размещать фотопреобразователь на место, куда попадет требуемая часть спектра. Поскольку на фотопреобразователь попадает определенная часть спектра, его КПД резко улучшается и при этом фотоэлемент почти не нагревается.

Конструкция защитного блока подвижной щели показана на рис. 2. Поверхность блока, состоящего из термоэлементов 2, системы охлаждения 3 холодных спаев термоэлемента и внутренности блока, отражателей 4 и щели 5, автоматически разыскивает место попадания селективного фотоактивного излучения за счет вращения двигателя малой мощности. Щель 5, движущаяся поперек спектра, размещенная на поверхности блока, позволяет монохроматизированному световому пучку проникать в блок. Для точного направления проходящего светового луча на фотоприемной поверхности фотоэлемента может быть реализовано синхронное движение фотоэлемента с щелью.

Рисунок 2. Защитный блок с подвижной щелью:

1 – двигатели для перемещения фотопринимающей поверхности блока; 2 – термоэлементы; 3 – система охлаждения; 4 – отражатели; 5 – щель; 6 – фотоэлемент с движущейся подложкой

На первый взгляд, определение фотоактивных диапазонов спектра и направления лучей с определенными длинами волн на поверхности фотоэлемента кажется простой технической задачей. Но в этом процессе необходимо учитывать несколько физических и технических факторов [6].

Экспериментальные методы, установки и результаты

Известно, что значение электрофизических параметров полупроводниковых солнечных элементов относительно стабильно при температуре до +40 °С. Согласно теоретическим расчетам и экспериментальным результатам, если температура фотоэлемента превышает относительный предел, его электрофизические параметры, включая их коэффициенты полезности, будут постепенно ухудшаться. И при достижении определенной температуры эти показатели резко уменьшаются в n раз [1]. Из-за относительно теплого климата в Узбекистане электрофизические проблемы фотоэлектрических станций могут быть вызваны в основном перегревом солнечного элемента [13; 4]. Поэтому в ходе нашего эксперимента температура солнечного элемента была повышена с +25 до +45 °С. В результате был получен график зависимости эффективности фотоэлемента от температуры (рис. 3).

Рисунок 3. График зависимости коэффициента полезности фотоэлемента от его температуры

Как видно из этого графика, увеличение фотоэлектрической температуры на 1 °C в диапазоне от +25 до +30 °C привело к снижению его коэффициента полезного действия в среднем на 0,1 % и в пределе от + 30 до +35 °С привело к снижению его полезного коэффициента в среднем на 0,4 %. После того как разница между начальной и конечной температурами увеличилась на 15 °C, эффективность снизилась почти вдвое. Это означает, что зависимость эффективности фотоэлектрического коэффициента от его температуры изменяется нелинейно. Это приводит к ошибкам в теоретическом расчете коэффициента полезности для произвольного значения температуры солнечного элемента.

Во втором эксперименте солнечные лучи концентрировались на фотоэлементе с помощью концентратора. Изменение интенсивности светового потока осуществлялось путем перемещения фотоэлемента в фокальную плоскость отражающей линзы. Изменяя значение резистора, подключенного к электрической цепи, определяли напряжение свободного хода, ток короткого замыкания и максимальную мощность.

Для эксперимента 6 однотипных солнечных элементов, изготовленных на основе поликристаллического кремния, были размещены под оптимальным углом на неподвижном основании, а остальные последовательно соединенные элементы были установлены на горизонтально ориентированном солнечном трекере. Местоположение экспериментальной площадки: 40,25°25'51'' северной широты и 71°45'42'' восточной долготы, Фергана.

Солнечные элементы, установленные на неподвижном основании, устанавливались под углом 60° (азимут) к востоку. Вертикальный угол (зенит) солнечного трекера составлял 60°. Выходные значения (напряжение и ток) были измерены с помощью электронного амперметра и вольтметра, и оба датчика были подключены к компьютеру с помощью платформы Arduino Uno для записи результатов. Эксперименты проводились в августе 2019 года.

В результате экспериментов, проведенных при 1-, 2- и 3-кратной интенсивности солнечного излучения, получены результаты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты, полученные от образцового фотоэлемента при изменении интенсивности концентрированной пучка луча

Результаты, полученные при средней температуре +27 °С, показывают, что увеличение интенсивности солнечного света почти не влияет на коэффициент полезного действия. Напротив, эффективность солнечного элемента, помещенного в световой поток с более высокой интенсивностью, уменьшалась быстрее, чем в нормальных условиях, из-за уменьшенного времени нагрева.

Поскольку повышение температуры, которое отрицательно влияет на электрофизические параметры солнечного элемента, связано с действием нефотоактивного излучения, падающего на его поверхность, следующие этапы эксперимента были проведены с селективным спектром солнечного света. Для этого было создано специальное устройство, состоящее из концентратора и фототермогенератора, по схеме, показанной на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение КПД солнечного элемента со временем при различной интенсивности солнечного излучения

На следующих этапах эксперимента при блокировании нефотоактивных лучей с помощью термоэлементов Пельтье наблюдалось уменьшение времени нагрева фотоэлемента. Но результаты, приведенные в таблице 1, практически не изменились. Однако из-за отсутствия нефотоактивных спектров максималное значение температуры не превышало +37 °С. Следовательно, в течение эксперимента коэффициент полезного действие составил более 13 % (рис. 4).

Для достоверности результатов следующий эксперимент был проведен повторно с использованием стандартного солнечного модуля – МСМ 12-700. Модуль помещался в защитный блок для защиты от негативных влияний окружающей среды, а излучение направлялось через стекло с проводимостью 100 %, 72 % и 32 %. При освещении с интенсивностью 783, 559 и 403 люкс (52,2 Вт/м², 39,9 Вт/м² и 26,9 Вт/м²) значение напряжения свободного хода и тока короткого замыкания составило U_fw = 3,91 В, U_fw = 4,75 В, U_fw = 5,19 В и I_sh.c = 1,25 мА, I_sh.c = 2,62 мА, I_sh.c = 4,8 мА соответственно.

Согласно полученным данным, коэффициенты эффективности составили η (52,2) = 4,0 %, η (39,9) = 3,3 % и η (26,9) = 2,2 % соответственно.

Основываясь на приведенных выше результатах, обнаружили, что эффективность фотоэлемента не изменяется соответствующим образом при освещении с разной интенсивностью с использованием источника света с одинаковым спектральным составом. Хотя интенсивность в первом и третьем случаях различается в три раза, разница в коэффициентах эффективности составила всего 2 %. Аналогичные результаты были получены в экспериментах с образцами с более высоким коэффициентом (15–18 %).

На втором этапе изучалась эффективность солнечного элемента с максимальным КПД 6–7 % при средней температуре +30 °С. Максимальный ток составлял W_max (13,4) = 1,3 Вт при освещении монохроматическим излучением (800–900 мкм) и яркостью 201 люкс. А полезность фотоэлектрического коэффициента оценивалась в 9,7–10 %. Этот показатель увеличивался до 15–16 % с увеличением интенсивности.

Заключение

Создание луча света, перпендикулярного высоте h от угла γ призмы, расчет постоянного горизонтального и вертикального изменения солнечной координаты, обеспечение перпендикулярности светового потока на поверхности фототермогенератора, физико-математическое решение проблемы предотвращения попадания нефотоактивных лучей или неполного поглощения фотоэлектрических лучей, как уже говорилось, сложный процесс. В связи с этим была конструирована и представлена новая схема фототермогенератора селективного излучения с концентратором, защитным блоком с подвижной щелью и фототермоэлементами. Определены задачи и алгоритмические решения для автоматизации поиска оптимальных координат фотоэлемента внутри защитного блока с подвижной щелью.

Было установлено, что в относительно жарком климате (Узбекистан, Фергана) производительность солнечного элемента стабильна при температурах от +25 до +35 °С. Было обнаружено, что самые низкие значения производительности фотоэлемента (из монокристаллического кремния) составляли около 6 % и 13 %, а самые высокие – около 15 % и 16 % для типичного и селективного освещения с тройной плотностью в определенный промежуток времени (до 3 и 15 минут) соответственно. Полученные экспериментальные результаты показали, что эффективность фотоэлемента, установленного внутри защитного блока в селективном фототермогенераторе, улучшается с увеличением плотности лучей и не ухудшается со временем из-за отсутствия температурного фактора.

Список литературы:

1. Солнечная батарея // Википедия. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/солнечная_батарея.
2. A method of obtaining photothermogenerators / A.M. Kasimakhunova, N.R. Rakhimov and Sh.Yu. Usmonov // The decision of the state patent examination of 06/18/2002. – Vol. Application № IDP 2000 09 10.
3. A review on the performance of photovoltaic/thermoelectric hybrid generators / A.Z. Sahin [et al.] // International Journal of Energy Research. – 2020. – P. 1–30.
4. Analysis of the effect of temperature on the operating mode of a photovoltaic solar station / A.Ya. Dzhumaev // Association of Researchers «Siberian Academic Book». – 2015. – Vol. 36. – P. 33–45.
5. Analysis of the Primary Constraint Conditions of an Efficient Photovoltaic-Thermoelectric Hybrid System / Li Guiqiang, Chen Xiao and Jin Yi // Energies. – 2017. – Vol. 20.
6. Automation problems of finding the optimal coordinates of a photocell in a selective radiation photothermogenerator / S.I. Zokirov, L.K. Mamadaliyeva // International journal of advanced research in science, engineering and technology. – 2019. – Vol. 6. – P. 10931–10936.
7. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells / W. Shockley, H.J. Queisser // Journal of Applied Physics. – 1961. – Vol. 32. – P. 510–519.
8. Dust affects solar-cell efficiency / A. Molki // Physics Education. – 2010. – Vol. 45. – P. 456–458.
9. EERE. Solar Performance and Efficiency. Energy efficiency & renewable energy / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.energy.gov/eere/solar/articles/solar-performance-and-efficiency.
10. Efficiency Improvement of Photovoltaic Module by Thermo Electric Generator / A.S. Ahmad [et al.] // FC-IEFR Journal of Engineering & Scientific Research. – 2017. – P. 1014.
11. Efficient Autonomous Solar Panel and Thermo-Electric Generator (TEG) Integrated Hybrid Energy Harvesting System // Progress In Electromagnetic Research Symposium / M. Singh [et al.]. – Shanghai, China, 2016. – P. 1764–1768.
12. Experimental Investigation of Effect of Environmental Variables on Performance of Solar Photovoltaic Module / P. Rawat // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). – 2017. – Vol. 4. – P. 13–18.
13. Features of the calculation of temperature parameters of the photovoltaic module / L.I. Knysh // News of Dnepropetrovsk University. – 2014. – Vol. 5.
14. Maximum conversion efficiency for the utilization of multiply scattered solar radiation / V. Badescu // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1991. – Vol. 24. – P. 1882.
15. Performance estimation of photovoltaic–thermoelectric hybrid systems / Zhang Jin, Xuan Yimin and Yang Lili // Energy. – 2014. – Vol. 78. – P. 895–903.
16. Solar cell efficiency tables (Version 45) / M.A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta [et al.] // Progress in photovoltaics: research and applications. – 2015. – Vol. 23. – P. 1–9.
17. Solar energy: Potential and future prospects / E. Kabir, P. Kumar, S. Kumar, A.A. Adelodun [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 82. – P. 894–900.
18. Tabulated Values of the Shockley – Queisser Limit for Single Junction Solar Cells / S. Ruhle // Solar Energy. – 2016. – Vol. 130. – P. 139–147.
19. The path to 25 % silicon solar cell efficiency: History of silicon cell evolution / M.A. Green // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. – 2009. – Vol. 17. – P. 183–189.
20. The performance of a combined solar photovoltaic (PV) and thermoelectric generator (TEG) system / R. Bjørk и K.K. Nielsen // Solar energy. – 2015. – Vol. 120. – P. 187–194.