Рис. 1. Вид сверху на солнечный тепловой коллектор с фотоэлектрическими преобразователями
Рис. 2. Солнечный тепловой коллектор с фотоэлектрическими преобразователями
При действующих ценах на топливные ресурсы в РФ утилизация солнечной энергии экономически обоснована для районов с климатически благоприятными условиями и не имеющих центральные газораспределительные сети. В этом случае капитальные затраты на системы солнечного теплоснабжения будут компенсироваться тем, что в теплый период года можно полностью отказаться от традиционных способов приготовления горячей воды для потребителей.
Как правило, удаленность населенных пунктов, не имеющих прямого доступа к газораспределительным системам, провоцирует в том числе и перебои в электроснабжении, что оказывает негативное влияние на оборудование систем жизнеобеспечения сооружений, и впоследствии может потребовать устранения возникших неполадок. Так, например, опыт эксплуатации солнечного горячего водоснабжения частной гостиницы (см. фото вверху) в селе Бобяково Воронежской области показал, что при перебоях в электросети возникает необходимость резервного электроисточника для поддержания рабочего режима циркуляционного насоса.
Его обесточенность может привести к достижению температуры стагнации в коллекторах, вызывающей резкое повышение давления, а иногда и вскипание теплоносителя, которое может вызвать аварию в системе. Одновременное получение с тепловой энергией и электрической позволит в системе утилизации сохранить рабочие режимы и параметры.
Многофункциональная утилизация солнечной радиации характеризуется конкурентным преимуществом при ее осуществлении посредством минимального количества оборудования, совмещающего улавливание излучения различных длин волн в одном типе устройств. При сравнительной оценке двух способов получения энергии, как правило, предпочтение отдается тепловым преобразователям, так как современные технологии производства полупроводников по ряду объективных причин не позволяют создавать фотоэлементы с КПД, превышающим 25 %.
Кроме того, длительная эксплуатация диодов, используемых в солнечных батареях, сопровождается деградацией структуры в среднем на 0,8 % в год [1]. Такое падение рабочей способности фотоэлектрических преобразователей происходит по двум основным причинам: осаждение пыли на их поверхности и нагрев материала под воздействием излучения в дневное время суток.
Наряду с этим, повышение температуры снижает количество вырабатываемой электроэнергии [1], что также способствует приоритету тепловых коллекторов. Так, например, увеличение температуры кремниевых материалов на 1 °C снижает коэффициент преобразования на 0,4–0,5 % [2]. Перечисленные негативные факторы могут быть в значительной мере устранены, если процессы получения тепловой и электрической энергии осуществлять в одном техническом устройстве.
Установка ограниченного числа фотоэлементов в плоских тепловых коллекторах не снизит КПД последних, так как требуемое повышение энергии электронов вызывается в основном воздействием ультрафиолетового излучения, диапазон длин волн которого соответствует интервалу 0,1–0,38 мкм, а энергия электромагнитных волн видимого спектра (0,38 до 0,76 мкм) и инфракрасного (0,76 до 1 мкм) затрачивается на нагревание поглощающих поверхностей [1].
Такое избирательное воздействие солнечного излучения позволяет осуществлять разные по физическому проявлению процессы утилизации в одном устройстве. Поэтому, чтобы снизить затраты на альтернативное энергообеспечение и компенсировать два вида нагрузок зданий, была предложена конструкция теплового коллектора, включающая фотоэлектрические преобразователи, как показано на рис. 1 и 2 [3].
Корпус 1 с тепловой изоляцией 2 многофункционального солнечного коллектора [3] покрыт прозрачным ограждением 3, наиболее полно пропускающим солнечное излучение, и снабжен входным и выходным 15 патрубками. Теплоноситель по входному патрубку 13 поступает во впускную камеру 12, а затем в продольные полимерные трубки 8.
Перемещаясь по полимерным трубкам, теплоноситель нагревается за счет передачи теплоты от металлических сеток 6, подвергаемых интенсивному воздействию солнечной радиации, прошедшей через прозрачное ограждение 3. Участки металлических сеток 9, расположенные в продольных полимерных трубках 8, турбулизируют теплоноситель, интенсифицируя теплообмен и тем самым вызывая рост его температуры.
После продольных полимерных трубок 8 нагреваемая жидкость поступает через промежуточную камеру 16 в продольные металлические трубки 5 абсорбера 4. Часть солнечной радиации, не поглощенная элементами металлических сеток 6, попадает через ячейки 7 последних на абсорбер 4, где переходит в теплоту. Высокая теплопроводность металла поглощающей панели 4 обеспечивает беспрепятственную передачу полученной энергии к продольным металлическим трубкам 5 и к перемещающемуся в них теплоносителю.
После чего нагретая жидкость поступает в выпускную камеру 14 и по выходному патрубку 15 направляется потребителю. Солнечная радиация, преодолев прозрачное ограждение 3, попадает не только на металлические сетки 6 и панель 4, но и на фотоэлектрические преобразователи 11, закрепленные на продольных полимерных трубках 8. Под воздействием излучения элементы 11 вырабатывают электроэнергию и нагреваются, снижая получаемую полезную мощность за счет повышения температуры.
Поэтому размещение фотоэлектрических преобразователей на поверхности трубок 8 обеспечивает их своевременное охлаждение за счет теплосъема избыточной энергии и передачи нагреваемому теплоносителю. Это обеспечивает многолетнюю безотказную эксплуатацию многофункционального солнечного коллектора. Следует отметить, что в плоских солнечных коллекторах под светопрозрачным покрытием создается нежелательный парниковый эффект — не только за счет проникновения солнечной радиации и ее частичного отражения от поглощающей панели, но и в результате собственного излучения нагретых поверхностей.
Размещение металлических сеток в корпусе устройства способствует устранению данного явления за счет уменьшения отражения и снижения собственного излучения в окружающую среду. Расположение в несколько слоев металлических сеток и незначительный размер их ячеек обеспечит наиболее полное улавливание солнечной радиации и сократит потери теплоты. Такое поглощение излучения позволит отказаться от дорогостоящих и технологически сложных селективных покрытий для абсорбирующих поверхностей.
Дополнительное снабжение коллектора полимерными трубками 8 и их последовательное соединение с продольными трубками 5 поглощающей панели 4 посредством промежуточной камеры 16 приводит к более длительному пребыванию теплоносителя в устройстве, тем самым создавая условия для увеличения времени контактирования с преобразованной солнечной энергией, что неизбежно приводит к его прогреву до более высоких температур.
Заполнение теплоносителем продольных трубок 5 и 8, а также камер 12, 14 и 16 повышает аккумулирующую способность солнечного коллектора. Степень преобразования солнечного излучения в электрическую энергию для применяемых фотоэлементов можно оценить посредством максимальной эффективности в расчете на единицу их активной площади [4]:
где Pm — максимальная мощность, отдаваемая на нагрузку с единицы поверхности батареи, Вт/м2; Pin — мощность света, поступающего на единицу поверхности диода, Вт/м2. С учетом создаваемого напряжения U [В] и плотности получаемого тока J [А/м2] выражение (1) имеет вид:
Вырабатываемая сила тока прямо пропорциональна плотности поступающего на фотопреобразователи солнечного излучения. Учитывая это свойство, для фиксирования ее значений следует иметь зависимость изменения прямой и рассеянной радиации по времени. Плотность излучения [Вт/м2], попадающего на горизонтальную поверхность, с достаточной точностью может быть аппроксимирована выражением:
Ps = b1 – b2(τ – 12)2, (3)
где b1 и b2 — коэффициенты регрессии; τ — время дня в 24-часовом формате, ч. Так, например, для 52° с. ш. в июле зависимость (3) при отсутствии облачности можно записать в следующей форме:
Ps = 800,41 – 14,396(τ – 12) 2 . (4)
Тогда мощность поступающего света на фотоэлектрические преобразователи с учетом прозрачности защитного остекления (0,95) и размещения коллекторов под углом, равным широте местности, а также плотность получаемого тока:
Pin = 0,95RPs ; (5)
Jm = μPin, (6)
где R — отношение количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности, определяемое по методике [5]; μ — коэффициент пропорциональности, определяющийся параметрами непосредственно фотопреобразователей. Эмпирическая зависимость, достаточно точно описывающая изменения величины Um, имеет вид [4]
где J0 — плотность обратного тока насыщения, Вт/м2; а Ua и Ub определяются по следующим выражениям:
Ua = 2,2885 × 10–2 – 139,9 × 10–6 ln(J0) – 2,5734 × 10–6 [ln(J0)] 2 ; (8)
Ub = 4,7253 – 0,8939 ln(J0). (9)
Используя выражения (4)–(7) получаем, что эффективность фотоэлектрических преобразователей будет равна:
С учетом проведенных преобразований можно утверждать, что КПД фотоэлементов напрямую зависит от их вольтамперной характеристики, и, в соответствии с зависимостью (10), следует снижать обратный ток насыщения до минимальных значений. При этом необходимо отметить, что основополагающее влияние на КПД оказывает ширина запрещенной зоны, которая для различных полупроводников имеет полиномиальную зависимость вида:
h = c1E2 + c2E4 , (11)
где с1 и с2 — коэффициенты, определяемые физико-химическими свойствами полупроводника; Е — ширина запрещенной зоны, эВ. Статистика эксплуатационных параметров фотопреобразователей показывает, что КПД максимально при ширине запрещенной зоны 1,4–1,6 эВ [2]. Посредством полученной эффективности (10) можно оценить мощность вырабатываемой электрической энергии с 1 м2 фотопреобразователей:
Pm = ηmPin, (12)
а с учетом (5) и при отсутствии защитного светопрозрачного покрытия, то есть коэффициента 0,95, зависимость будет иметь вид:
Pm = ηmPinR, (13)
что является по форме записи аналогичным тепловому потоку [Вт/м2], нагревающему теплоноситель систем горячего водоснабжения или отопления, который при совмещении функций утилизации солнечного излучения будет определяться выражением:
Q = ηoPsR, (14)
где ηо — КПД плоского солнечного коллектора, учитывающий в том числе светопропускающую способность применяемого остекления, и в зависимости от конструкции может изменяться в диапазоне от 0,6 до 0,85. Из уравнения (10) следует, что повысить КПД применяемых диодов можно посредством увеличения облученности за счет использования дополнительных технических средств, достижения высоких показателей коэффициента пропорциональности, определяющего силу тока, и снижения плотности обратного тока насыщения.
Зависимость (11) показывает необходимость получения полупроводников с шириной запрещенной зоны, соответствующей наиболее полному поглощению солнечного спектра. Совокупность решений по повышению рабочих параметров фотопреобразователей увеличит в целом эффективность утилизации солнечной энергии, включая и тепловую составляющую, и тем самым позволит существенно изменить баланс в потреблении возобновляемой энергии.
