Авторы: Шульга Кирилл Сергеевич, Астапова Юлия Олеговна, Астапов Алексей Евгеньевич

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №17 (121) сентябрь-1 2016 г.

Дата публикации: 03.09.2016

Статья просмотрена: 168 раз

Библиографическое описание:

Шульга К. С., Астапова Ю. О., Астапов А. Е. Гибридные солнечные коллекторы // Молодой ученый. — 2016. — №17. — С. 101-105.



В настоящее время наблюдается рост потребления энергии, в то же время происходит повышение цен на электроэнергию и уменьшаются запасы традиционных ресурсов. В связи с этим становятся актуальными разработки в области возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Солнечная энергия является одним из перспективных и активно развивающихся видов ВИЭ.

У применения солнечных панелей и коллекторов много достоинств:

‒ использование неисчерпаемого возобновляемого источника энергии

‒ отсутствие выбросов в окружающую среду загрязняющих веществ;

‒ возможность установки практически в любом удобном месте;

‒ солнечные панели позволяют обеспечить энергией отдаленные от энергосети районы.

Однако есть и ряд недостатков:

- зависимость от широты, погоды, сезона и времени суток (несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии);

‒ как следствие, необходимость аккумуляции энергии;

‒ при промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности;

‒ высокая стоимость конструкции;

‒ загрязнение солнечных батарей пылью, снегом, инеем.

В России наиболее перспективен для развития солнечной энергетики юг Европейской части страны, особенно Краснодарский и Ставропольский края, Ростовская, Волгоградская и Астраханская области, Дагестан и Калмыкия. [1]

Для преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток применяются солнечную батарею (солнечная панель, PV), работа которой основывается на фотоэлектрическом эффекте.

Устройством для преобразования солнечной энергии в тепловую является солнечный коллектор (T), который собирает тепловую энергию солнца и нагревает теплоноситель. Дальше это тепло может быть использовано для отопления, горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственной продукции, для выработки электроэнергии (пар для вращающихся турбин) и т. д.

Существует также гибридный солнечный коллектор (PV/T панель), позволяющий вырабатывать тепловую и электрическую энергию одновременно.

гибридный солнечный коллектор

Рис. 1. Гибридный солнечный коллектор. [2]

У такого устройства под PV панелью устанавливается солнечный коллектор (Рис.1). Таким образом, уменьшается площадь установки при необходимости одновременной выработки тепла и электричества. К тому же повышается эффективность фотоэлементов солнечной панели.

При нагревании фотоэлементов солнечной панели свыше 25ºС (для кремния) снижается вырабатываемая электрическая мощность на 0,4 % на каждый градус. [3] В гибридной системе теплоноситель коллектора отводит это тепло, охлаждая солнечную панель. Отведенное коллектором тепло далее применяется, например, для нагрева воды в системе горячего водоснабжения.

Т. е. та часть энергии, которая раньше терялась и снижала производительность солнечной панели, в гибридной системе используется.

C:\Users\Лёха\Desktop\Гибридные солнечные коллекторы PVT _ Информационный ресурс о применении солнечной энергии и энергосбережении_files\график-снижения-эффективности-фотоэлементов.jpg

Рис. 2. Зависимость снижения выработки электроэнергии от температуры фотоэлемента. [2]

В летнее время наблюдается резкое снижение производительности электроэнергии, вызванное превышение порога температуры (50 °С) на поверхности фотоэлемента. Теплоноситель способен охлаждать и поддерживать температуру на поверхности абсорбера до 50 °С. [2] При такой конструкции возможно увеличить выработку электроэнергии на 15 % по сравнению с обычными солнечными.

Но на практике не всегда удается добиться максимальной эффективности гибридного солнечного коллектора. [2]

В основном это связано с тем что в летний период температура теплоносителя не должна превышать 50 °С, поэтому работа таких систем для горячего водоснабжения весьма ограничена. [2] По сравнению с обычными солнечными батареями, при отсутствии циркуляции теплоносителя, температура на поверхности фотоэлемента повышается значительно больше, что вызвано дополнительной изоляции. Тепловая производительность гибридных PV/T модулей значительно меньше по сравнению с классическими солнечными коллекторами, так как в них не используются высокоселективное покрытие.

Приведем некоторые из гибридных солнечных коллекторов, имеющихся в продаже:

‒ POWERVOLT W 200/500(PV=200W, Thermo=500W). Соотношения вырабатываемой тепловой энергии к электрической составляет 2,5:1 соответственно.

‒ POWERTHERM M 180/750(PV=180W, Thermo=750W). Соотношение вырабатываемой тепловой энергии к электрической составляет 4:1 соответственно.

‒ ATMOSFERA F2PV. Общая мощность коллектора* 1337 Вт, тепловая мощность* 1037 Вт, электрическая мощность* 300 Вт. (* При мощности солнечной инсоляции 1000Вт/м² и разнице температуры абсорбера и окружающей среды равной 0 °C) [4]

В апреле 2013г. фирма SunDrum, установившая PV/T систему на одном из домов в штате Массачусетс, добилась 86 % КПД в пиковые часы. Это рекорд для системы PV/T с фиксированным (неотслеживающим) креплением. [5] Тепловые испытания SunDrum показывают, что гибридные панели примерно на 40 о F (22 о С) холоднее, чем стандартные фотоэлектрические панели. Как видно на графике (рис3), это приводит лишь к незначительному увеличению производства электричества, но почти в три раза увеличивается общая полезная энергия, которую производит система, в результате чего общая эффективность системы составляется около 70 % без увеличения площади. [5]

C:\Users\ast\Desktop\Безымянный.png

Рис. 3. Общее энергетическое преимущество SunDrum [5]

Фирма SunDrum утверждает, что гибридная система PV/T окупается за 5–10 лет, что чуть дольше, чем классический солнечный коллектор (без PV), и немного быстрее, чем солнечная панель (система PV). [5]

Еще в одном опыте, разработанная PV/T установка монтировалась на жилом доме FOLD в двух городах: Копенгагене и Мадриде.

Таблица 1

Сравнение КПД систем PV/T, PV иT

Максимальный КПД жидкостного солнечного коллектора в составе установки составил 48 % при выключенных фотоэлектрических преобразователях. При одновременном производстве электрической и тепловой энергии его значение снизилось до 42 %.

Общий КПД увеличился на 2,6 % для Копенгагена и на 3,3 % для Мадрида. Срок окупаемости составил примерно 15 лет. [6]

Анализируя оба опыта применения гибридных солнечных коллекторов можно сделать следующий вывод: в гибридном солнечном коллекторе КПД солнечной батареи незначительно повышается за счет ее охлаждения коллектором, однако КПД самого коллектора снижается (по сравнению c обычными солнечным коллектором и солнечной панелью). Общий КПД всей PV/Т системы выше чем при совместном применении солнечного коллектора и солнечной панели. К тому же гибридные PV/Т занимают меньшую площадь.

Таким образом, при правильном применении гибридных солнечных коллекторов PV/Т система позволяет добиться хороших результатов.

Литература:

  1. Вопросы и ответы о возобновляемых источниках энергии [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.rushydro.ru/
  2. Гибридные солнечные коллекторы PVT [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://solarsoul.net/
  3. Фотоэлектрические модули [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://solarmir.ru/
  4. Гибридные солнечные коллекторы [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.atmosfera.ua/
  5. PhotovoltaicThermalSystemAchieves 86 % Efficiency [Электронный ресурс] — Режимдоступа: http://www.engineering.com/
  6. Гибридный солнечный коллектор [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://zvt.abok.ru/
Основные термины (генерируются автоматически): солнечный коллектор, солнечной панели, гибридных солнечных коллекторов, преобразования солнечной энергии, фотоэлементов солнечной панели, тепловой энергии, солнечного коллектора, горячего водоснабжения, коллекторе КПД солнечной, Общий КПД, выработки электроэнергии, обычными солнечными, производительность солнечной панели, эффективность фотоэлементов солнечной, периодов выработки энергии, нагревании фотоэлементов солнечной, Гибридный солнечный коллектор, гибридный солнечный коллектор, солнечная панель, КПД жидкостного солнечного.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос