Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Использование концентрированого солнечного излучения 13
1.1 История развития солнечной фотоэнергетики .13
1.2 Современное состояние развития солнечной энергетики 15
1.3 Фотоэлектрические установки на основе стационарных концентраторов 24
1.4 Фотоэлектрические установки на основе линз Френеля .27
1.5 Фотоэлектрические установки на основе голографических концентраторов 30
1.6 Постановка задачи диссертации .34
ГЛАВА 2. Разработка и расчет основных параметров голограммных оптических элементов 35
2.1 Голограммные микрооптические элементы для солнечных фотоэлектрических установок 35
2.2 Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в узком диапазоне углов падения излучения 39
2.3 Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в широком диапазоне углов падения излучения 46
2.4 Исследования эффективности работы голографических элементов .61
Выводы по главе 2 .67
ГЛАВА 3. Разработка и моделирование работы фотоэлектрического модуля на основе голографического концентатора 68
3.1 Моделирование хода лучей в фотоэлектрическом модуле с голографическим концентратором 68
3.2 Методика определения рабочей температуры фотоэлемента 73
3.3 Моделирование эффективности работы СФЭУ на основе голографического концентратора 77
3.4 Определение электрических параметров СФЭУ с голографическим концентратором .82
3.5 Технико-экономическая оценка производства СФЭУ на основе голографического концентратора 92 Выводы по главе 3 з
ГЛАВА 4. Определение энергетических параметров работы сфэу на основе голографического концентратора . 94
4.1 Анализ баз данных актинометрической информации для солнечной энергетики 94
4.1.1 Источники исходной информации для солнечной энергетики 94
4.1.2 Оценка актинометрических данных представленных в Научно прикладном справочнике по климату СССР .98
4.1.3 Анализ погрешности метода расчета характеристик солнечной радиации в базе данных «METEONORM 4.0 .101
4.2 Методика определения энергетических параметров СФЭУ на основе голографического концентратора в реальных условиях работы 106
4.2.1 Определение прямой составляющей солнечного излучения, преобразуемого СФЭУ с голографическим концентратором 106
4.2.2 Определение диффузной составляющей солнечного излучения, преобразуемого СФЭУ с голографическим концентратором 111
4.2.3 Определение отраженной составляющей солнечного излучения, преобразуемого СФЭУ с голографическим концентратором 112
4.3 Определение выработки электроэнергии солнечной фотоэлектрической установкой с голографическим концентратором в реальных условиях работы 114
4.4 Оценка экономической эффективности применения фотоэлектрических батарей с голографическим концентратором 117
4.5 Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с концентраторами .121
Выводы по главе 4 123
Залючение 124
Список литературы
- Фотоэлектрические установки на основе стационарных концентраторов
- Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в узком диапазоне углов падения излучения
- Методика определения рабочей температуры фотоэлемента
- Оценка актинометрических данных представленных в Научно прикладном справочнике по климату СССР
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы.
Одной из характерных особенностей современного этапа развития человечества является быстрый рост энергопотребления. Электроэнергия представляет собой наиболее совершенный вид энергии, легко доставляемый потребителю и преобразуемый в другие виды энергии. Выработка электроэнергии традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях сопровождается химическим и радиационным загрязнением окружающей среды. При этом возникает также проблема «теплового загрязнения» Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать —1 % от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца.
Наиболее привлекательным является удовлетворение возрастающих энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии, в первую очередь за счет целенаправленного использования и преобразования энергии Солнца.
Солнечное излучение представляет собой практически неисчерпаемый источник энергии. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры ~5800 К, что намного превышает температуру окружающей среды, при которой это излучение используется (~300 К). Последнее означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечного излучения может быть близок к 100 %. Таким образом, солнечное излучение является экологически чистым, доступным источником энергии, обладающим высоким энергетическим потенциалом.
Существенным недостатком солнечного излучения как источника энергии является его низкая плотность. Для выработки заметной электрической мощности, необходимо собирать солнечное излучение с больших площадей, покрывая их дорогими полупроводниковыми солнечными элементами. Стоимость получаемой таким образом электроэнергии значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами. Именно это является основной причиной, сдерживающей развитие крупномасштабной солнечной электроэнергетики.
Одним из возможных путей снижения стоимости фотоэлектрической генерации является преобразование концентрированного солнечного излучения. В этом случае требуемая площадь солнечных элементов, а, следовательно, и их стоимость могут быть снижены пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения дешевыми голографическими концентраторами.
На пути практической реализации метода преобразования концентрированного солнечного излучения также возникает ряд проблем. Во-первых, при повышении мощности солнечного излучения пропорционально увеличивается плотность генерируемого в СЭ фототока, что требует оптимизации конструкции СЭ для уменьшения омических потерь. Во-вторых, увеличивается тепловая нагрузка на СЭ, что требует создания эффективной системы теплоотведения. В-третьих, необходима разработка высокоэффективных и дешевых концентраторов излучения. В-четвертых, для большинства известных
концентрирующих фотоэлектрических установок необходимо точное наведение и слежение установок за положением Солнца, что усложняет конструкцию и эксплуатацию СФЭУ.
Отмеченные особенности делают актуальной разработку преломляющей фотоэлектрической установки на основе голографического концентратора, создание которой решает вышеперечисленные проблемы использования концентрированного солнечного излучения.
Цель диссертационной работы:
- разработка, исследование и оптимизация энергетических характеристик солнечных фотоэлектрических батарей на основе голографических концентраторов (СФЭУГК).
Основные задачи исследований.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Разработать и рассчитать конструкцию СФЭУГК, работоспособную в географических и климатических условиях всей территории России.
-
Создать математическую модель работы СФЭУГК и разработать на её основе методику определения энергетических параметров работы установки для заданных внешних условий.
-
Разработать методику и провести вычислительное моделирование работы СФЭУГК в реальных условиях работы, в целях определения технико-экономической эффективности применения данного типа фотоэлектрических установок.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложена методика разработки и создания голографических концентраторов и фотоэлектрических модулей на их основе.
-
Разработаны модели функционирования СФЭУГК и на их основе исследованы технологические и электрофизические параметры солнечных модулей с голографическими концентраторами.
-
Определена энергетическая и экономическая эффективность применения СФЭУГК на примере конкретного потребителя.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту автором выносятся следующие положения:
-
Методика расчета конструкции СФЭУГК.
-
Результаты моделирования работы СФЭУГК, с учетом спектральных характеристик отдельных элементов установки, а также температурного режима работы фотоэлемента при заданных внешних параметрах.
-
Методика расчета энергетических показателей работы СФЭУГК в реальных условиях работы.
Достоверность полученных результатов исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций подтверждается
использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных методов различных научных дисциплин, корректным применением математического аппарата, а также совпадением полученных результатов моделирования и оптимизации с известными практическими решениями и оценками.
Личный вклад автора заключается в следующем:
проведен анализ работы известных установок, преобразующих концентрированное солнечное излучение в электрическую энергию и на основании проведенного анализа предложена конструкция фотоэлектрической установки с голографическим концентратором;
рассчитана структура голограммного оптического элемента, предназначенного для работы в составе СФЭУГК;
- разработаны методики, позволяющие определить основные
энергетические параметры работы СФЭУГК;
- проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены их
результаты, сформулированы выводы и предложения;
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате проведенных исследований появился задел для возможности изготовления, фотоэлектрических установок с голографическими концентраторами солнечной энергии, отличающихся от известных солнечных фотоэлектрических установок более низкой стоимостью пиковой мощности, а также, в отличие от большинства концентрирующих солнечных установок, возможностью вырабатывать электроэнергию без слежения за положением Солнца. Также в результате проведенных исследований появились модели определения параметров работы СФЭУГК.
Апробация работы.
Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Двадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Четвертая международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», Пятая международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», Вторая всероссийская научно – практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», Третья всероссийская молодежная конференция «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений, а также на других международных конференциях.
Публикации
По основным результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 в рекомендованном ВАК России издании и 1 патент на полезную модель.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 1 приложения.
Объем работы составляет 135 страниц, включая 4 страницы приложений, содержит 76 иллюстраций и 8 таблиц.
Фотоэлектрические установки на основе стационарных концентраторов
Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов – фотоэлектрических, реализующих фотовольватический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера. Практическое применение нашел лишь первый метод фотопреобразования вследствие его значительно более высокой энергетической эффективности. Впервые фотовольтаический эффект (т.е. преобразование энергии Солнца в электроэнергию) наблюдался в электролитической ячейке Эдмондом Беккерелем в 1839г. Первые эксперименты с твердотельными фотоэлектрическими элементами на основе селена проводились Адамсом и Деем в Лондоне в 1876г. [1]. Более полувека понадобилось для того, чтобы появились первые солнечные фотоэлементы с эффективностью, едва превышающей 1%. Ими стали разработанные в 1930-е годы в Физико-техническом институте серно-таллиевые фотоэлементы с запорным слоем [2]. Исследования выполнялись под руководством основателя института академика А.Ф. Иоффе, который уже в то время (1938 г.) впервые внес на рассмотрение правительства СССР программу энергетического использования солнечных фотоэлектрических крыш. Однако для старта фотоэлектрической энергетики (даже без учета экономических соображений) требовалась существенно большая эффективность. Решающим для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p-n-переходом, имевших кпд около 6% [3]. Первое практическое использование кремниевых солнечных батарей для энергетических целей имело место не на Земле, а в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, оснащенные такими батареями — советский „Спутник-3“ и американский „Авангард-1“. Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относится к 80-м годам ХХ столетия. В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м 2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.
Здесь следует отметить, что научной базой для создания первых солнечных батарей стала разработка теории и технологии полупроводниковых материалов и приборных структур с p-n-переходом. Основные области применения приборов на полупроводниковых материалах в то время виделись в технике преобразования электрической энергии (преобразование переменного тока в постоянный, высокочастотная генерация, переключение и т. д.) и в электронных устройствах передачи и обработки информации (радио, связь и т. д.). В дополнение к «классическим» полупроводниковым материалам — германию и кремнию, с 1950 года начался синтез материалов типа AIIIBV (III и V означают период таблицы Д.И. Менделеева, A и B – элементы соответствующего периода, например GaAs, GaSb) [4]. В начале 1960-х годов были созданы и первые солнечные фотоэлементы с p-n-переходом на основе арсенида галлия. Уступая в эффективности кремниевым фотоэлементам, арсенид-галлиевые тем не менее были способны работать даже при значительном нагреве. Первое практическое применение усовершенствованных арсенид-галлиевых солнечных батарей для энергетических целей было еще более экзотическим, чем в случае кремниевых батарей. Они обеспечивали электроснабжение советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венера (1965), а также самоходных аппаратов „Луноход-1“ и „Луноход-2“, исследующих поверхность Луны (1970 и 1972 гг.). 1.2. Современное состояние развития солнечной энергетики.
В условиях ограниченности ископаемых энергоресурсов и невозможности уже в ближайшей перспективе свободно использовать углеводороды перед каждым государством встает важнейшая задача – поиск путей предотвращения наступающего энергетического кризиса. Одним из путей решения этой глобальной задачи, стоящей перед человечеством, является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В настоящее время можно констатировать, что в ближайшее десятилетие основной географической картиной энергетики мира остается тот факт, что мировой энергобаланс между основными энергоносителями будет паритетным – на каждого, а это уголь, нефть, газ будет примерно приходиться поровну.
Солнечная энергетика — направление ВИЭ, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов если не говоря о производстве фотоэлектрических модулей. Неисчерпаемость этого вида энергии может рассматриваться потенциально как энергоресурс, способный перевернуть современные представления об энергообеспечении и полностью удовлетворить потребности человечества. По оценкам специалистов German Advisory Councilon Globalchange[5], (рис. 1.1), к 2100 году Солнце станет доминирующим источником энергии на планете. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается.
Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в узком диапазоне углов падения излучения
Голограммный оптический элемент (ГОЭ) - это обобщенное название различных оптических элементов, воздействие которых на волновой фронт основано на дифракции излучения. Голограммный микрооптический элемент - это класс голограммных оптических элементов, размеры структуры (период, высота рельефа) которых не превышают микрометра. Голограммный микрооптический элемент чаще всего представляет собой плоскую стеклянную подложку, на одной из сторон которой сформирована дифракционная микроструктура, которая вносит фазовую задержку за счет модуляции коэффициента пропускания или высоты микрорельефа. Простейшими примерами голограммных микрооптических элементов являются дифракционная решетка и зонная пластинка Френеля.
Голограммный микрооптический элемент (как и голограммный оптический элемент) производится путем записи определенного типа голограммы в объемном фоточувствительном материале. Пучок, падающий на такой голограммный элемент, дифрагирует благодаря модуляции показателя преломления внутри проявленных фоточувствительных слоев.
После проведенного патентного поиска [50,51,52] можно заключить, что наиболее подходящей реализацией голограммного микрооптического элемента для элементов солнечных батарей является многоуровневая дифракционная решетка, т.к. голограммные микрооптические элементы, выполненные по принципу линз и т.п. и обладающие оптической силой вносят существенные аберрации и искажают передаваемое посредством системы изображение.
На основе многоуровневой дифракционной решетки была разработана принципиальная схема коллиматорной системы, включающая в себя на основе плоского светопроводящей пластины с голограммными микрооптическими элементами для ввода и вывода излучения из световода.
Светопроводящая пластина представляет собой стеклянную пластину [50.51], в которой излучение может распространяться под действием полного внутреннего отражения (ПВО), с нанесенными на поверхность голограммными микрооптическими элементами, представляющими собой дифракционные решетки (ДР) для ввода и вывода излучения из пластинки, как показано на рисунке 2.1. ДР 1 обладает максимальной дифракционной эффективностью и предназначена для ввода излучения в пластинку под углом ПВО. ДР 3 предназначена для «порционного» вывода излучения из пластинки, реализуя таким образом принцип мультиплексирования выходных зрачков, а за счет переменной дифракционной эффективности реализуется принцип ввода излучения в не зависимости от его пространственного положения. Кроме того, периоды решеток 1 и 3 равны, но решетка 3 должна быть развернута относительно полос решетки 1 на 90 градусов, что в схеме получения будет реализовано так же поворотом пластинки. Решетка 2 предназначена для мультиплексирования зрачков по второй координате и ввода излучения в решетку 3 для его последующего вывода, поэтому помимо переменной ДЭ она к тому же должна быть повернута на 45 градусов относительно решетки 1. В каждой зоне ГОЭ (дифракционной решетки) в пластинку будет вводиться весь конус пучков излучения; а пересечение крайних лучей, формирующих выходные зрачки на расстоянии 60 мм, определит размер зоны выходного зрачка (1515 мм2).
Теперь более детально остановимся на работе голограммных оптических элементов [53] и вводе излучения из световода. В общем случае входной ГОЭ, как было описано, представляют собой многоуровневую дифракционную решетку. Дифракционная эффективность входного ГОЭ должна быть максимальной для минимизации потерь излучения на входе, а выходного ГОЭ – минимальной, чтобы обеспечить большое количество переотражений излучения в пластинке. Кроме того, выходная решетка должна обладать переменной дифракционной эффективностью, для выравнивания в зоне наблюдения яркости отдельных выходных зрачков между собой.
Итак, входная решетка рассчитана таким образом, чтобы первый порядок дифракции максимального угла поля зрения входил в пластинку под углом, превышающим угол ПВО, как показано на рисунке 2.2. Тогда для остального конуса излучения закон ПВО будет выполняться автоматически. Далее излучение распространяется в пластинке под углом ПВО, как в световоде.
Таким образом, основную задачу ГОЭ (или в нашем случае – как простых дифракционных решеток, так и многоуровневых) можно сформулировать следующим образом – ГОЭ не должны вносить искажений в ход лучей в пластине и на выходе из нее, а просто перенаправлять их, подчиняясь определенному закону, одинаковому для всех направлений хода лучей, т.е. должны обеспечивать эквивалентность вышедшего излучения вошедшему, а также обеспечивать получение равнояркого по всему полю и впределах области выходного зрачка, т.е. помимо переменной дифракционной эффективности в данном типе ГОЭ должна отсутствовать селективность в пределах конуса углов, формируемого проекционной системой. Этим требованиям отвечают рельефно-фазовые дифракционные решетки, селективность и оптическая сила у которых отсутствует, а формула работы решетки как раз обеспечит эквивалентность хода излучения, т.к. угол вышедшего пучка будет определяться исключительно углом распространения излучения в подложке. идущий в сторону оператора «+1» и противоположный «-1» порядки, «0» порядок излучения продолжает распространяться по пластинке, подчиняясь закону ПВО. «-2» и «+2» порядками дифракции можно пренебречь в силу крайне малой эффективности дифракционной решетки, а соответственно и энергии в этих порядков по сравнению с «0» и «1».Как было отмечено выше, излучение выходит из пластинки под тем же углом, что и входит в нее (т.к. периоды входной и выходной решеток равны), а выходная решетка одинаково реагирует на все излучение, идущее в пластинке (в силу использования неселективных рельефно-фазовых дифракционных решеток), т.е. одновременно выводит весь конус лучей для формирования области выходного зрачка.
Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в узком диапазоне углов падения
Задачей данного расчёта является определение основных параметров светопроводящей подложки (габаритных размеров, толщины, марки стекла, параметров ГОЭ), а также определение требований к параметрам (размер выходного зрачка, угол поля) схемы, работающей в сочетании с данным элементом.
Определение параметров ГОЭ для ввода и вывода излучения в световод. В ходе данного расчета дополнительно выведем основные зависимости между параметрами проекционной системы (угол поля и диаметр выходного зрачка) и параметрами стекла, из которого изготовлена подложка. Определение угла полного внутреннего отражения: аПВО — arcsin (—) (2.1) Где пі и п2- соответственно показатели преломления стекла и среды, из которой лучи попадают в стекло. В нашем случае световодная пластина работает в воздухе, поэтому п2=1.
Зависимость угла ПВО от показателя преломления стекла Как было описано выше, вводной и выводной ГОЭ представляют собой дифракционные решетки. Для определения их периода запишем формулу решетки [54]: dpeiu (Л-ст snl а + ni snl 0) = т А. (2.3) где пст- показатель преломления стекла; nj=l - показатель преломления воздуха; &- угол дифракции на решетке; а - угол распространения излучения в пластинке; =532 нм - длина волны излучения. С учетом того, что излучение распространяется в пластинке под углом ПВО получим: пст sin а пг (2.5) Подставив выражение 2.5 в 2.4, получим формулу для определения периода вводной и выводной решеток, входящих в состав подложки (решетки идентичны, но развернуты друг относительно друга на 90 градусов): Определим из формулы 2.3 максимальный угол входа в пластинку дифрагированного на вводной решетке излучения (изображен пунктиром на рисунке 2.5). Это будет необходимо в дальнейшем при оценке необходимого размера выходного зрачка системы для возможности его переналожения.
Методика определения рабочей температуры фотоэлемента
Разработка эффективных солнечных энергоустановок оптимальной конфигурации (определение ориентации в пространстве приемной площадки, количество элементов энергосистемы), обеспечивающих максимальный экономический или энергетический эффект от их применения, требует надежных знаний о природно-климатических условиях места эксплуатации энергоустановки и, прежде всего, о поступлении солнечной радиации на приемную площадку.
Как известно, поступление солнечной энергии на земную поверхность нестабильно и зависит от сезона года, от времени суток и погодных условий. Учесть влияние всех этих факторов довольно сложно, поэтому в качестве исходной информации при расчете и проектировании энергоустановок используются усредненные данные. Реально доступными являются среднемесячные суммы солнечной радиации, поступающей на горизонтальную приемную площадку. На метеостанциях иногда измеряют потоки солнечной радиации на перпендикулярную солнечному излучению площадку, однако источники этих данных весьма ограничены.
В общем случае потоки солнечной радиации (мощность) и их суммы (энергия) могут быть получены следующими способами: - аналитическим, когда для конкретной географической точки расчетным путем определяются необходимые параметры; - по справочникам и базам данных; - по непосредственным измерениям.
Аналитические способы получения значений солнечной радиации применимы для предварительной оценки потенциала отдельных регионов, для которых эти способы и были созданы, для других регионов точность их невысока, и в этой связи они не нашли широкого практического применения для проектирования гелиоустановок.
Проведение непосредственных измерений солнечной радиации в месте предполагаемого создания установок (если такие измерения не проводились на близлежащей метеостанции) сопряжено с организационными сложностями и, кроме того, для набора необходимой статистики такие измерения должны быть многолетними.
Таким образом, основными источниками исходной актинометрической информации являются климатические справочники и базы данных, подготавливаемые специализированными организациями на основе обработки результатов многолетних метеорологических наблюдений на метеостанциях. В России основным надежным источником актинометрических данных является многотомный Научно-прикладной справочник по климату СССР [11], ставший трудом многочисленного коллектива специалистов региональных и центральных организаций, занимающихся проблемами метеорологии и климата.
Справочник по климату содержит достоверную информацию по среднесуточным и среднечасовым значениям прямой, диффузной, суммарной солнечной радиации и альбедо для характерных суток каждого месяца для всех регионов России со сроками наблюдения от 5 до 30 лет. Недостатками данных Справочника являются: малое число пунктов наблюдения для отдельных регионов страны, отсутствие ряда характеристик необходимых для проектирования гелиоустановок.
Существует значительное число компьютерных баз данных [9,11], разработанных европейскими и американскими специалистами, которые имеют удобную для пользователя форму предоставления информации. Они различаются по источникам получения информации: наземные или спутниковые наблюдения; по срокам обработки данных: от 1 до 30 лет; представлением характеристик солнечной радиации: получасовые, часовые, месячные, годовые значения, возможностями пространственной интерполяции. Одна из первых баз данных была приведена в Европейском атласе солнечной радиации (Е.S.R.A) со значениями среднемесячной суммарной и рассеянной радиации с 1966 года для 340 пунктов наблюдения в Европе и Северной Африке. Новое издание Европейского атласа 2010 года помимо книжной формы представлено также CD-ROM диском, в которых увеличен интервал измерений до 1990 года, количество пунктов наблюдения до 586, дополнительно приведены значения температур и давлений атмосферного воздуха. Самой современной базой данных в Европе и Северной Африке является S@tel–Light, которая основана на спутниковых измерениях за 1996–2010 годы. В ней приводятся получасовые значения суммарной и рассеянной солнечной радиации, имеется возможность пространственной интерполяции данных 250 тысяч пунктов наблюдения. Достоинством этой базы является возможность получения необходимой информации по Е–mail. Однако отмечаются для некоторых пунктов значительные отклонения от данных наземных станций.
Среди всемирных баз данных солнечной радиации классической является продукт на CD-ROM диске швейцарской организации Meteonorm «METEONORM [9] », которая основана на данных более 2400 пунктов наблюдения, что является малопредставительным для столь масштабной программы. В то же время она является наиболее полной по проводимым измерениям (суммарная, прямая и рассеянная солнечная радиация, температура, давление, скорость, влажность атмосферного воздуха). Она позволяет производить пространственную интерполяцию представленных данных.
Так же в Интернете доступна база данных НАСА[10]. Данные базы НАСА основаны на непрерывном и последовательном 10-летнем ряде спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности для ячеек 280x280 км по земному шару в течение периода с июля 1983 по июнь 1993 года (спутниковые наблюдения – World Climate Research Program s International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP)). Используются также метеорологические данные для того же временного диапазона, полученные с помощью наземной системы наблюдений GEOS-1(Goddard Earth Observation System). По экспериментальным данным о радиационном балансе с использованием различных моделей распространения солнечного излучения в атмосфере были рассчитаны значения солнечной радиации на горизонтальной площадке. Методика разрабатывалась с учетом особенностей климатических зон земного шара, в том числе отражения излучения от земной поверхности (альбедо), состояния облачности, а также с учетом загрязнения атмосферы аэрозолями.
Оценка актинометрических данных представленных в Научно прикладном справочнике по климату СССР
Продукты энергетических процессов составляют основную часть всех видов загрязнений биосферы. Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 150 млн. т золы, 100 млн. т окислов серы, 60 млн. т окислов азота [85]. При этом каждый год выбросы в атмосферу увеличиваются на 0,5 % [86]. Попавшие в атмосферу загрязнители могут находиться там длительное время и тем самым неблагоприятно 122 воздействовать на природу. Одним из главных достоинств использования солнечных энергоустановок является экологическая чистота преобразования солнечной энергии. Нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров. Однако солнечная энергетика использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве. В силу этого тепловое загрязнение окружающей среды, обусловленное сбросом в нее какой-то части преобразованной энергии незначительно. Обычно основным с экологической стороны недостатком солнечных энергоустановок является нарушение ими естественного ландшафта. Это неизбежно для установок, работа которых основана на использовании потоков энергии, циркулирующих в окружающем пространстве, т. е. когда окружающая среда является необходимым элементом процесса преобразования энергии. Иногда речь идет об изменениях почвенных условий и растительности, возникающей под солнечными установками из-за длительного отсутствия прямых солнечных лучей. Наиболее сильно эти недостатки проявляются у крупных установок. Однако в ряде случаев изменение почвенных условий имеет благоприятное влияние. Например, в жарких пустынных районах солнечные модули могут использоваться для затенения и выращивания бахчевых и цитрусовых культур, для которых целесообразно использование не слишком интенсивного солнечного излучения. Резервный (или аккумулирующий) источник энергии, а также другие энергоустановки при совместной работе с солнечными установками также должны быть оценены с точки экологического воздействия.
По-прежнему актуальным остается вопрос организации экологически чистого производства кремния солнечного качества. В Минатоме России разработаны фторидные экологически чистые технологии производства поликристаллического кремния. Работы данного направления ведутся в Физико-энергетическом институте 123 имени академика А. И. Лейпунского, Всероссийском алюминиево-магниевом институте (АО ВАМИ).
Поскольку опыт строительства и эксплуатации установок с концентраторами еще незначителен, необходимо продолжать изучение их экологических воздействий. Однако не вызывает сомнений, что в экологическом отношении солнечная энергия, как часть энергии возобновляемых источников, имеет значительные преимущества перед ископаемым топливом и атомной энергией.
Выводы по главе 4. В четвертой главе диссертационной работы: 1. Рассмотрены источники исходной информации для расчетов солнечных фотоэлектрических установок. 2. Рассмотрены и проанализированы известные модели пересчета солнечной радиации, для различных ориентаций площадки. 3. Разработана методика определения выработки электроэнергии СФЭУ с голографическим концентратором в реальных условиях работы. 4. Проведены расчеты выработки электроэнергии СФЭУ с голографическим концентратором. Проанализированы результаты моделирующих расчетов выработки электроэнергии для различных типов солнечных фотоэлектрических установок. 5. Оценена экономическая эффективность строительства СЭС на основе СФЭУ с голографическими концентраторами энергии. 6. Рассмотрены экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных электростанций с концентраторами электроэнергии. 124 ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам выполненной работы были получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:
1. На основе рассмотрения мирового опыта производства и эксплуатации солнечных фотоэлектрических установок, предложена конструкция СФЭУ, построенная на основе плоского голографического концентратора. От известных аналогов она отличается тем, что кремниевый фотоэлемент расположен в торцевой части плоского концентратора. Это решение позволяет более эффективно охладить фотоэлементы и способствует равномерному попаданию излучения на их поверхность.
2. На основе решенных задач компьютерной голографии была поставлена и решена задача разработки голограммы для построения голографического концентратора. Было определено, что для создания такого рода концентраторов солнечного излучения необходимым условием является применение объемных голографических структур. При этом, теоретическая максимальная эффективность объемных голограмм достигает 100%, при фактической, технически возможной эффективности в 95-98%. Спектр частот работы голограммы с максимальной эффективностью лежит в диапазоне от 400 нм до 850 нм.
3. Важным параметром работы СФЭУ с голографическим концентратором является тепловой режим фотоэлементов. На основе анализа теплового режима было получено, что критический коэффициент концентрации излучения равен 7. В результате разработки методики и численного определения энергетических характеристик СФЭУ с голографическим концентратором было рассчитано, что при н.у. КПД СФЭУ составляет порядка 11,8-12,2%.
4. Для корректного определения фактической выработки электроэнергии необходимо выбрать источник исходной информации по приходу солнечной радиации на заданную площадку для конкретных 125 географических условий. В результате анализа существующих баз был сделан вывод о допустимости и корректности использования широко распространенной базы «METEONORM». На основе этой базы данных, по предложенным методикам, было определено, что снижение выработки электроэнергии СФЭУ с голографическим концентратором по сравнению с кремниевой фотоэлектрической батареей составляет порядка 27% в течение года нарастающим итогом. В целом по результатам выполненных исследований можно утверждать, что имеется высокая целесообразность и экономическая эффективность строительства фотоэлектрических станций на основе голографических концентраторов солнечной энергии, причем современное состояние развития науки и техники, в том числе развитие технологий голограммной оптики позволяет с успехом реализовывать предложенные решения в промышленном масштабе.
