Энергия опыта, молодости и солнечного модуля
Новые технологии Иван ТРОХИН
Сфокусировать лучи Солнца в возобновляемую энергетику России подвластно академику РАН Дмитрию Стребкову и молодой электрисе Наталье Филиппченковой вместе с коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) Федерального научного агроинженерного центра.
Прекрасная энергия и сельская мечта
Представительница прекрасной половины человечества и инженер-электрик Наталья Филиппченкова под мудрым наставничеством ученого с мировым именем в области солнечной энергетики Дмитрия Стребкова стала соавтором востребованных сегодня и в будущем изобретений по части солнечных источников энергии. В последних вполне прекрасно вырабатывается совместно электрическая и тепловая энергия. Это – просто мечта для сельских жителей в районах России, где много солнечных дней в году.«ТЭЦ» без топлива и дымовых газов
Что же стало результатом научно-изобретательского «солнечного» союза? Появился гибридный фотоэлектрический модуль (патент РФ за номером RU 2546332). Он представляет собой оригинальную конструкцию, подобную наглядной для общего понимания устройства компьютерной трехмерной модели от зарубежных коллег из фирмы Yougen. Однако, на взгляд автора этих строк, отечественный модуль видится более дешевым и адаптированным к погодным реалиям нашей страны.Гибридный фотоэлектрический модуль от разработчиков из ВИЭСХ состоит из солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые размещены между защитным стеклом и корпусом с теплообменником. Через последний пропускается теплоноситель с целью его нагрева для нужд потребителей. Что тут особенного? Дело в том, что пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также – между последним и стеклом, заполнено слоем силоксанового геля толщиной от 0,5 до 5 мм. Защитное стекло выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол с вакуумным зазором от 0,1 до 0,2 мм и вакуумом – от 0,001 до 0,00001 мм рт. ст. Теплообменник представляет собой герметичную камеру с патрубками для циркуляции теплоносителя. Общая площадь солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника.
Вроде все просто, а каков эффект: надежный, энергетически эффективный и экологически чистый в работе своеобразный функциональный аналог микроТЭЦ. Он дает фактически бесплатное электричество и тепло, благополучно «питаясь» солнечными лучами!
Сконцентрировать и преобразовать
Дальнейшее развитие (патент RU 2580462) рассмотренного выше изобретения погружает нас в оптику и геометрию. При этом может получиться еще более эффективная теплофотоэлектрическая «ТЭЦ» с зеркальным концентратором солнечного излучения.Известно, что недостатком фотоэлектрических модулей является низкая удельная мощность фотопреобразователя. Разработчики из ВИЭСХ поставили перед собой крайне сложную инженерно-научную задачу – преодолеть этот негативный барьер. Как успешный результат их многолетних трудов и явился усовершенствованный, но по-прежнему с простым названием и уже известный нам, солнечный модуль. Он заимел в своем конструктивном составе статический концентратор солнечного излучения и стал характеризоваться, как требовалось, более высокой удельной мощностью.
Солнечный модуль со статическим концентратором имеет габаритные размеры в поперечном сечении, которые вполне соизмеримы с габаритными размерами плоского модуля. Здесь необходимо подчеркнуть, что удельная мощность фотоприемника будет повышенная. В чем же секрет?
Нужный результат показали зеркала
Технический результат по увеличению удельной мощности фотоприемника в составе солнечного модуля был достигнут следующим образом. Рабочая поверхность, на которую падают солнечные лучи, оснащается миниатюрными зеркальными экранами. Не правда ли, что в этом техническом решении просматривается изящность и красота женского подхода? Всего лишь одна мелкая деталь. По своему существу – это дамское зеркальце. А что из этого вышло?Зеркальные экраны выполнены в виде жалюзи из плоских зеркальных отражателей. Сами жалюзи содержат в своей конструкции устройство для изменения расстояния между зеркальными отражателями. При этом, что следует заметить, все это выбрано не по принципу «на глаз», а рассчитано по науке. Так, расстояние между миниатюрными зеркальными отражателями на рабочей поверхности, углы входа солнечных лучей, их выхода и наклона зеркальных отражателей связаны геометрическими соотношениями.
В составе рассматриваемого солнечного модуля концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения. С точки зрения конструкции концентратор солнечного излучения также может быть реализован в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя.
Подробности в цифрах
Работоспособность предложенных в зеркальном солнечном модуле технических решений доказана не только на бумаге. Успех ожидал разработчиков и в ходе проведения опытных подтверждений правильности расчетной модели.Например, экспериментальный образец солнечного фотоэлектрического модуля с полупараболоцилиндрическим зеркальным отражателем, выполненным из стеклянных фацет, оснащался фотоприемником с габаритными размерами, равными в плане 125×1250 мм. Этот фотоприемник состоял из 36 кремниевых солнечных элементов, электрически соединенных последовательно. Геометрический коэффициент концентрации солнечного излучения составил 4,32. Оптический коэффициент полезного действия (КПД) оказался на уровне 80%. КПД фотоприемника составил 15%, а общий КПД модуля практически достиг 12%.
Таким образом, у рассмотренного выше солнечного фотоэлектрического модуля с полупараболоцилиндрическим зеркальным отражателем при площади самого модуля, составившей почти 0,69 квадратного метра, пиковая электрическая мощность достигла 82 Вт. Последний показатель следует считать при освещенности в один киловатт на квадратный метр и температуре воздуха, равной плюс 25ºС.
