Результаты экспериментов и их обсуждение

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       

Рис.7. Солнечный модуль, который использует голограммы для фокусировки света. 
 
 
 
 
 
 
 
 

сделает вырабатываемое ими электричество конкурентоспособным в противостоянии с электричеством, вырабатываемым из ископаемого топлива. В настоящее время, достижением компании для получения преимущества в цене солнечных батарей (СБ), базирующихся на кремнии, является фокусировка солнечного света при помощи зеркал или линз, и таким образом сокращение общей площади кремния, необходимого для создания нужного количества электричества.      Обычные световые концентраторы являются довольно громоздкими и непривлекательными, а также они далеко не идеальны для установки на крышах пригородных домов. Новая технология заменяет неприглядные концентраторы аккуратными панелями. Рик Левандовски, президент и исполнительный директор компании говорит, что панели можно устанавливать на крыши и даже встраивать в окна и стеклянные двери.  Системе необходимо на 25-85% меньше кремния, чем в панели из кристаллического кремния сопоставимой мощности, потому что фотоэлектрическим материалом не нужно покрывать всю поверхность солнечной панели, говорит Левандовски. Вместо того, фотоэлектрический материал располагается в несколько рядов. Слой голограмм (созданная при помощи лазера структура, которая преломляет свет) направляет свет на слой стекла, где он продолжает отражаться от внутренней поверхности стекла до тех пор, пока не найдет свой путь к одному из участков фотоэлектрического кремния. Сокращение фотоэлектрического материала необходимо для снижения цены с, приблизительно, $4 за ватт до $1.50.   Компания собирается начать выпуск первого поколения своих модулей уже в конце этого года, продавая их по цене $2.40 за ватт. Последующие поколения модулей с более прогрессивной технологией должны будут сопутствовать дальнейшему снижению цены.      В своих способностях концентрировать свет голограммы не так мощны как обычные концентраторы. Они могут умножать количество света, падающего на ячейки на коэффициент 10, в то время как системы, базирующиеся на линзах, увеличивают этот коэффициент на 100, а некоторые даже на 1000 [9].         Ещё большие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500-1850 кВт×час/м².   Из сказанного выше следует вывод о перспективности фотоэлектрической солнечной энергетики. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится «под рукой» у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2.

Сборка  установки и техника  эксперимента. 

     2-1. Конструкция и сборка солнечных батарей на концентрированном излучении.

     Конструктивно установка представляет собой параллелепипедный  металлический каркас, на верхней  части которого закреплены линзы Френеля, а на нижней части сами СЭ (Рис.8). Размер основной части установки – 550×550×140 мм, площадь принимающей поверхности – 302500 мм² ≈ 0.3 м².

     Линзы Френеля представляют собой квадратные пластины из оргстекла, толщиной 3 мм. Линзы закреплены между собой плотно для минимизации потерь солнечного излучения и уменьшения площади и веса конструкции. Также это уменьшает ветровую нагрузку и конструкцию опорно-поворотного устройства (ОПУ). ОПУ оснащён системой слежения (СС), который обеспечивает автоматическое слежение за Солнцем по азимуту. Для точности перпендикулярного положения СБ к Солнцу по горизонту используется регулировочный болт, т.к. одним из основных критериев такой концентрирующей системы это перпендикулярность СБ к Солнцу.

     Поскольку концентрированное пятно излучения не должно выходить за пределы СЭ, необходимо обеспечить точное расположение СЭ на фокальном пятне. Здесь нужно решить несколько задач; параллельность СЭ и концентратора, расстояние между СЭ и концентратором, расположение СЭ на плоскости по отношению к концентратору. При решении этих задач мы воспользовались следующими способами. Чтобы найти расстояние между СЭ и концентратором, надо установить концентратор (в нашем случае линзы Френеля) перпендикулярно к Солнцу. К видимому спектру солнечного сконцентрированного излучения поднести СЭ так, чтобы сконцентрированное излучение охватывало всю поверхность СЭ, но при этом

 

Рис.8. Схема основной части конструкции: 1 – каркас из металлических уголков размером 20 мм; 2 – солнечный элемент; 3 – линзы Френеля.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

не выходило за пределы элемента. При этом параллельно замерять ток короткого замыкания (I_к.з.) СЭ. При максимальном I_к.з. замерить расстояние между СЭ и концентратором. Таким образом, замер расстояния корректируется видимым спектром солнечного сконцентрированного излучения и электрическими данными (т.е. I_к.з.) самого СЭ.

Для определения  положения СЭ относительно концентратора, надо полностью закрепить все  линзы на каркасе и использовать выше приведённый способ. А параллельность СЭ и линз достигается при сборке каркаса, т.к. если у каркаса все стороны параллельны, то и закреплённые на нём СЭ и концентраторы тоже будут параллельны.

     Технология  сборки установки состоит из следующих  этапов:                  1 – нахождение расстояния между  СЭ и концентратором; 2 – расчёт размеров каркаса; 3 – сборка каркаса; 4 – закрепление линз Френеля и СЭ на каркасе.

     Первый  этап сборки мы описали выше. При  расчёте размеров каркаса основными критериями были размер линз и расстояние между линзами и СЭ. Так для нахождения высоты каркаса необходимо сложить расстояние между линзами и СЭ на толщину подложки под СЭ плюс толщину самого СЭ. При сборке каркаса основным критериями являются жесткость, прочность и вес конструкции. При закреплении линз Френеля и СЭ основной критерий это уменьшение потери падающего солнечного излучения.

     Сама  установка (Рис.9) состоит из четырёх СЭ, четырёх линз Френеля, основания, на котором установлены СЭ и линзы, и опорно-поворотного устройства (ОПУ) со следящей системой.

     Следящая  система позволяет автоматически  следить за Солнцем от его восхода до заката. А ОПУ поворачивает СБ вслед за Солнцем по команде системы слежения.

     Линзы Френеля, установленные в верхней  части основания, фокусируют солнечное  излучение на СЭ, которые установлены  в нижней части основания. 

                    

Рис.9. Общий вид установки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Всё основание закреплено на ОПУ при  помощи двух шарниров и регулировочного  болта, который обеспечивает положение  СБ перпендикулярно Солнцу.

     При сборке основания использовались металлические  уголки, закреплённые между собой  болтами, МДФ, закреплённый в нижней части основания как подложка для СЭ при помощи шурупов.

     СЭ  закреплены к подложке также шурупами. Под каждым из четырёх СЭ вырезаны отверстия для теплоотвода. Теплоотводами служат дюралюминиевые пластины и металлические уголки. Уголки закреплены с обратной стороны МДФ под отверстиями для теплоотвода. Между СЭ и уголками в отверстиях поставлены дюралюминиевые пластины, которые снимают тепло с СЭ. В свою очередь уголки снимают тепло с пластины. Таким образом, происходит теплоотвод.

     Линзы Френеля закреплены на основание клеем и металлическими уголками. Каждая линза представляет собой квадрат. Все установленные линзы представляют также квадрат. Поэтому уголки прижимают линзы только по сторонам этого квадрата. С остальных сторон линзы приклеены к основанию.

     Само  основание представляет собой параллелепипед. Рёбра этого параллелепипеда  металлические уголки размером 2x2 см. Общий размер основания 55x55x14 см. дюралюминиевые уголки, пропущенные накрест в верхней части основания и закреплённые на рёбрах основания, придают большую жёсткость и надёжность основания. Также они служат для закрепления линз.

     ОПУ состоит из опоры, с установленным приводом, и вала. Привод работает по команде системы слежения и питается от аккумулятора.

     Принцип работы линзы Френеля основан на преломлении падающего луча (Рис.10). Как видно на рисунке линзы Френеля составляют отдельные призмы специального профиля. Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Первые направляют световой поток в каком-либо одном

 

Рис.10. Принцип работы линзы Френеля: 1 – падающее излучение;                 2 – сфокусированное излучение; 3 – линзы Френеля; 4 – приёмник сфокусированного излучения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

направлении. Поясные линзы посылают свет от источника  по всем направлениям в определённой плоскости. В данной установке были использованы кольцевые линзы Френеля. Каждая призма преломляет на определённый градус, падающий луч, в сторону большого основания. Таким образом, падающее излучение, проходя через линзы Френеля, преломляются и собираются в одной точке, называемой фокусом линзы. При концентрации с помощью линз Френеля приёмник (в нашем случае СЭ) устанавливают не на фокусе, а ближе, при этом происходит расфокусировка и сконцентрированное излучение падает на всю поверхность приёмника. К сожалению, ни одна линза не может пропускать 100% проходящего света. В лучшем случае пропускная способность составляет 90-95%, но на практике эта цифра оказывается еще меньше. К тому же, концентраторы не могут фокусировать рассеянный солнечный свет, который составляет около 20% солнечного излучения в ясный день[10].       2-2. Приборы для замера оптических параметров СЭ и СБ.   Для замера оптических параметров СЭ и СБ в данной установке в основном использовались два прибора: заводской тестер – DT830B и эталлоный СЭ – образец №9 (Рис.11).      Образец №9 используется для определения интенсивности солнечного излучения на данный момент времени и при помощи градировочной кривой (Рис.12) для каждого СЭ, используемого в СБ определяются параметры СЭ и СБ. График градировочной кривой построен на принципе зависимости I_к.з. (mA) от интенсивности солнечного излучения (P, Вт/м^²). На графике по горизонтали нанесена шкала интенсивности, а по вертикали – шкала тока короткого замыкания. При определении интенсивности солнечного излучения нужно замерить I_к.з. образца №9 и по градировочной кривой определить мощность P (Вт/м²) это и будет интенсивностью солнечного излучения на данный момент времени.  

   
 

Рис.11. Образец №9: 1 – СЭ; 2 – контакты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис.12. График градировочной кривой определения мощности светового излучения для образца №9. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис.13. График градировочной кривой определения мощности светового излучения для образца №1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис.14. График градировочной кривой определения мощности светового излучения для образца №19. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Так, например, при интенсивности солнечного излучения 800 Вт/м² ток, выделяемый образцом №9, будет равен 265 mA. А в образцах №1 (Рис.13) и №19 (Рис.14), используемые в данной установке, ток будет равен 284mA и 280mA соответственно. Т.е. оптические и электрофизические характеристики каждого СЭ отличаются друг от друга.

      Электрофизические параметры оказываются тесно  связанными с оптическими свойствами поверхности СЭ.

     2-3. Замер параметров  СЭ и СБ.

     Замер параметров производился в несколько этапов. В первую очередь при помощи образца №9 замеряли интенсивность солнечного излучения. Следующим этапом был замер I_к.з. каждого СЭ без концентрации и с концентрацией солнечного излучения. Третьим этапом был замер параметров СБ в разных соединениях СЭ – в последовательном, параллельном и параллельно-последовательном.

     При замере параметров СЭ с концентрацией  мы отметили разные показатели (Табл.1), которые зависят от оптических и  электрофизических свойств каждого  СЭ и от оптических свойств каждой линзы. При этом I_к.з. образца №9 была равна 0,174 A (без концентрации).

     Как видно, простым сложением в итоге  получаем общую мощность от четырёх  СЭ равную 1,74 Вт.

Таблица 1.

Показатели  СЭ с концентрацией.