XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В предыдущей публикации [1] авторами было приведено описание методов изменения направления световых лучей в солнечных электроустановках и сформулированы перспективы их развития. В большинстве случаев такие методы не имеют практического применения на современных солнечных электростанциях, однако это обстоятельство приводит к значительному сокращению мощности генерации. Причина этого заключается в том, что при отклонении угла падения световых лучей от строго вертикального происходит снижение снижения мощности генерации пропорционально квадрату косинуса угла падения луча. Так, например, при значении угла падения луча>60° мощность генерации падает на 80% [2], что совершенно неприемлемо. Для решения этой проблемы возможно использование различных методов и средств изменения направления светового луча, положения солнечной батареи относительно солнца, отражателей или концентраторов солнечной энергии, которые позволяют хотя бы частично уменьшить угол падения лучей на поверхность солнечной батареи и таким образом увеличить мощность генерации. Эти методы принято разделять на механические и оптические.

В механических методах солнечная батарея устанавливается на поворотную платформу - гелиостат которая поворачивается при движении солнца по горизонту и отражает луч таким образом, чтобы угол его падения был близок к нулю. Однако очевидно, что применение механических систем поворота солнечных батарей, отражателей или других элементов является малоперспективным, поскольку сложность и низкая отказоустойчивость такой системы очевидна, и с увеличением количества подвижных элементов она будет только возрастать. А при воздействии ветровых нагрузок на механизм привода его надежность еще больше снижается. Более того, какое либо прорывное решение данной проблемы не ожидается и в будущем. Кроме этого, использование таких систем на подвижных объектах (электромобили, надводные корабли и т.д.) не представляется возможным.

В оптических методах корректировки угла падения солнечных лучей на поверхность батареи используют различные способы изменения направления луча, в основе которых лежат известные законы геометрической оптики – отражение, преломление луча, дифракция, интерференция и т.д. На основе этих методов были разработаны различные концентраторы светового потока [3]. Они могут быть адаптивными и неадаптивными. В неадаптивных величина, характеризующая изменение угла падения светового луча на поверхность солнечной батареи является фиксированной величиной, в адаптивных – в зависимости от положения солнца на горизонте может изменяться при помощи внешних исполнительных механизмов или вследствие изменения оптических свойств элементов концентратора. В публикации [1] были описаны основы построения этих концентраторов, а также рассмотрены перспективы их развития.

Простейшим примером концентратора световой энергии является конструкция, состоящая из неподвижных линз особой конструкции, фокусирующих солнечную энергию непосредственно на поверхность солнечной батареи. Однако концентратор такого типа крайне малоэффективен и прочти не дает прироста энергоотдачи солнечных батарей, поэтому почти не применяется.

Гораздо более совершенной является конструкция, выполненная в виде призматических концентраторов – призмоконов (рисунок 1). Стандартный призмокон представляет собой световод - призму, расширяющийся к одному из концов. Луч света приходит на принимающую поверхность, проходит в призмокон, отражается от задней поверхности, на которую нанесен отражающий слой, и приходит к принимающей поверхности под углом полного внутреннего отражения. Лучи остаются в призмоконе и распространяются к поверхности выхода, где и возникает эффект концентрации излучения. Применение стационарных концентраторов в форме призм позволяет герметизировать поверхность фотоэлемента. К настоящему времени разработано много разновидностей призмоконов.

Рисунок 1 – Конструкция призмокона в виде трапеции

Преломляющие системы, построенные на призмах, имеют одно несомненное преимущество перед отражающими концентраторами в том, что приёмник излучения вынесен на внутреннюю сторону принимающей солнечное излучение поверхности, т.е. не затеняется приёмником и его опорами.

Еще более совершенным решением является использование в качестве преломляющих элементов так называемых гелиотехнических линз или призм Френеля (рисунок 2). Их рабочий профиль представляет набор призматических элементов, при этом преломляющие их способности подобраны в соответствии с необходимыми принципами формирования освещённости на поверхности приемника излучения. Основными типами рабочего профиля являются кольцевой концентрический, формирующий световой поток в фокальное пятно, и линейный профиль, формирующий фокальную полосу.

Рисунок 2 – Модуль концентратора солнечной энергии из линз Френеля

Главным недостатком линзовых концентрирующих систем является наличие хроматических аберраций [2]. В линзах с высокой концентрацией хроматические аберрации уменьшают степень концентрации солнечного излучения и снижают эффективность системы в целом. Кроме этого, конструкция модуля концентратора солнечной энергии, изготовленная таким образом, может оказаться достаточно громоздкой и тяжелой, что может быть неприемлемо, особенно при использовании солнечной батареи на подвижных объектах, а изготовление такой конструкции из прозрачных пластмасс (поликарбонатов) не всегда возможно из – за особенностей их оптических свойств.

Самым совершенным видом оптических концентраторов солнечного излучения, созданных до сегодняшнего дня, являются голографические солнечные концентраторы [2, 3]. Эти фотоэлектрические преобразователи обеспечивают отбор из потока наиболее подходящих для генерации световых частот.

В качестве примера рассмотрим две конструкции голографических концентраторов - голокон в виде плоскопараллельной пластины, разработанный учеными из американской компании «Prism Solar Technologies» [4] и разработку белорусских ученых Пилипович В.А., Залесского В. Б., Конойко А.И. и Поликанина А.М. [5].

Голокон «Prism Solar Technologies» (Holographic Planar Concentrator — HPC) представляет собой фотоэлектрическую батарею с чередующимися полосами: полоска голографической пленки - полоска фотоэлектрической батареи и так далее (рисунок 3). На плёнке, помещенной между двумя слоями стекла, при помощи лазера выполнены невидимые для глаза «узоры» интерференции, рассчитанные определённым образом. Благодаря этому голограмма вырезает из солнечного спектра частоты, которые обеспечивают наибольшую энергоотдачу на фотоэлектрическую батарею. Эти лучи за счёт многократного отражения от голограммы и от внутренней поверхности наружного стекла, концентрируются и направляются на участки между голограммами, где с обратной стороны закреплены фотоэлектрические панели.

Рисунок 3 – Поперечный разрез солнечной батареи компании «Prism Solar Technologies»

На рисунке 3 показана структура концентратора «Prism Solar Technologies» в разрезе. Толщина каждого из двух слоёв стекла - 3,2 миллиметра (показаны желтым цветом), толщина голографической плёнки - 7 микрон (оранжевый цвет). Синим показана фотоэлектрическая ячейка. Стрелки - направление солнечных лучей. Благодаря сложной голограмме свет будет правильно отражаться и попадать на фотоэлектрическую ячейку не только при падении по нормали к поверхности, но и в довольно широком диапазоне углов. Применённая в HPC голограмма – мультиплексная. Фактически – это огромное количество микроголограмм, наложенных одна на другую и работающих при падении на них солнечного света под определенным углом.

Концентрация света здесь достигается не столь высокая, как в системах с зеркалами, призмами или линзами – до 10 раз. Зато, в отличие от ранее упомянутых типов концентраторов, HPC обладает рядом важных достоинств. В первую очередь это лёгкость и минимальная толщина, а также селекция света по частотам (в частности, инфракрасная часть спектра на фотоячейки не попадает, что позволяет защитить их от перегрева), приводящая к высокой отдаче фотоэлектрических преобразователей без их перегрева.

По сравнению с солнечными батареями без концентраторов, здесь для получения одного ватта требуется на 50-85% меньше кремния, что является одним из условий низкой цены голографических панелей. К тому же сами голографические плёнки намного дешевле больших зеркал или линз.

Схема голографического концентратора разработки белорусских ученых Пилипович В.А., Залесского В. Б., Конойко А.И. и Поликанина А.М. представлена на риснуке 4. Он представляет собой плоскую прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя примыкающими голографическими решетками. Их углы дифракции имеют противоположные знаки, блок селективных линейных фотопреобразователей, дополнительно содержит последовательно оптически связанные двойную голографическую решетку, непосредственно прилегающую к выходной грани плоской прозрачной пластины, оптически связанную с голографическими решетками голографического элемента, и набор селективных цилиндрических линз Френеля, оптически связанный с блоком селективных линейных фотопреобразователей. Длина каждого селективного линейного фотопреобразователя больше длины соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения. Ширина двойной голографической решетки равна удвоенной толщине плоской прозрачной пластины с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом.

Рисунок 4 – Голографический концентратор авторов Пилипович В.А. и др.

Заканчивая обзор некоторых достижений в области создания голографических концентраторов солнечной энергии, следует отметить, прежде всего, актуальность и необходимость проведения дальнейших изысканий в данном направлении, о чем свидетельствует значительный интерес, проявляемый исследователями к этому вопросу. Очевидно, что с помощью применения голографических концентраторов можно существенно расширить зону работы солнечной электростанции по сравнению с применением других видов концентраторов или гелиостатов.

Следует отметить, что все рассмотренные в настоящей статье концентраторы солнечной энергии являются неадаптивными, то есть они не способны изменять угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Солнца на горизонте. Их основная задача – уменьшить этот угол до возможного минимального значения, увеличив, таким образом мощность генерации, а также сократить площадь солнечных батарей, снизив таким образом стоимость системы в целом. В настоящее время авторами данной публикации проводятся исследования различных типов концентраторов солнечной энергии. Целью этих исследований является изучение возможности создания на их основе адаптивных концентраторов световой энергии. По мнению авторов, данное направление в ближайшее время будет чрезвычайно востребованным и актуальным.

Список литературы

1. Поливанов А. А., Галущак В. С., Титова М. Е. Исследование методов изменения направления световых лучей в солнечных электроустановках / Международный студенческий научный вестник : электронный журнал. - 2018. - № 3, ч. 2. - C. 217-219. – Режим доступа: https://www.eduherald.ru/pdf/2018/2018_3_2.pdf

2. Бавин М.Р. Разработка и исследование преломляющих фотоэлектрических установок: Дисс. канд. техн. наук. - Москва, 2014. - 139 с.

3. Солнечная энергетика, учебное пособие для вузов В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгина, В.А Кузнецова, Н.К.Малинин. Москва, Издательский дом МЭИ, 2008г.

4. Строительная Мастерская КМС: Голографические солнечные батареи: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masterskaykms.blogspot.ru/2014/05/blog-post_1.html

5. Патент BY. Голографический концентратор солнечной энергии / Пилипович В.А., и др.// Заявл. 2009-07-06; Опубл. 10.11.2010.

6. Патент РФ № 2172903. Солнечный модуль с концентратором /Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е.и др.// №2000108561/06; Заявл. 07.04.2000; Опубл. 27.08.2001.

7. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org

Код для цитирования: Скопировать