Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії
В статье представлены результаты математического моделирования статического параболического концентратора для фотоэлектрической системы, что позволит снизить использование дорогостоящих полупроводниковых материалов, сгладить неравномерность поступления солнечной радиации, а также улучшить экономичес...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110181 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії / В.В. Филенко, В.В. Соловей // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 3. — С. 69-75. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110181 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Филенко, В.В. Соловей, В.В. 2016-12-31T08:52:19Z 2016-12-31T08:52:19Z 2016 Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії / В.В. Филенко, В.В. Соловей // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 3. — С. 69-75. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110181 620.92 В статье представлены результаты математического моделирования статического параболического концентратора для фотоэлектрической системы, что позволит снизить использование дорогостоящих полупроводниковых материалов, сгладить неравномерность поступления солнечной радиации, а также улучшить экономические и эксплуатационные характеристики технологий возобновляемой энергетики. Предложенная система позволяет у величать солнечную инсоляцию на единицу площади фотоэлемента в 2,3 раза на протяжении года, снизив при этом сезонные колебания уровня солнечной радиации на поверхности приемника на 14%. Наведено методику розрахунку фотоелектричної установки зі стаціонарним параболоциліндричним концентратором. Розглянуто можливість комбінованого використання сонячного електроенергії у поєднанні з електролізерами водню високого тиску для зниження екологічного навантаження на урбанізовані території. The paper presents the results of mathematical modeling of static parabolic-concentrator for the photovoltaic system and demonstrate possibilities use of concentration may not only increase the energy efficiency of solar cells, while reducing the use of expensive semiconductor materials, but also smooth the unevenness of incoming solar radiation and improve economic and operational performance, including the use of renewable energy sources. Use concentration system constructed during the year will in 2.3 times increase revenues solar radiation per unit area, while reducing seasonal fluctuations of the level of solar radiation on the surface of the receiver by 14%. uk Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Нетрадиционная энергетика Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії Combined installation of photovoltaic panel with concentrators and hydrogen energy storage Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії |
| spellingShingle |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії Филенко, В.В. Соловей, В.В. Нетрадиционная энергетика |
| title_short |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії |
| title_full |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії |
| title_fullStr |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії |
| title_full_unstemmed |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії |
| title_sort |
комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії |
| author |
Филенко, В.В. Соловей, В.В. |
| author_facet |
Филенко, В.В. Соловей, В.В. |
| topic |
Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet |
Нетрадиционная энергетика |
| publishDate |
2016 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Проблемы машиностроения |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Combined installation of photovoltaic panel with concentrators and hydrogen energy storage |
| description |
В статье представлены результаты математического моделирования статического параболического концентратора для фотоэлектрической системы, что позволит снизить использование дорогостоящих полупроводниковых материалов, сгладить неравномерность поступления солнечной радиации, а также улучшить экономические и эксплуатационные характеристики технологий возобновляемой энергетики. Предложенная система позволяет у величать солнечную инсоляцию на единицу площади фотоэлемента в 2,3 раза на протяжении года, снизив при этом сезонные колебания уровня солнечной радиации на поверхности приемника на 14%.
Наведено методику розрахунку фотоелектричної установки зі стаціонарним параболоциліндричним концентратором. Розглянуто можливість комбінованого використання сонячного електроенергії у поєднанні з електролізерами водню високого тиску для зниження екологічного навантаження на урбанізовані території.
The paper presents the results of mathematical modeling of static parabolic-concentrator for the photovoltaic system and demonstrate possibilities use of concentration may not only increase the energy efficiency of solar cells, while reducing the use of expensive semiconductor materials, but also smooth the unevenness of incoming solar radiation and improve economic and operational performance, including the use of renewable energy sources. Use concentration system constructed during the year will in 2.3 times increase revenues solar radiation per unit area, while reducing seasonal fluctuations of the level of solar radiation on the surface of the receiver by 14%.
|
| issn |
0131-2928 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110181 |
| citation_txt |
Комбінована фотоелектрична установка з концентратором та водневим накопичувачем енергії / В.В. Филенко, В.В. Соловей // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 3. — С. 69-75. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT filenkovv kombínovanafotoelektričnaustanovkazkoncentratoromtavodnevimnakopičuvačemenergíí AT soloveivv kombínovanafotoelektričnaustanovkazkoncentratoromtavodnevimnakopičuvačemenergíí AT filenkovv combinedinstallationofphotovoltaicpanelwithconcentratorsandhydrogenenergystorage AT soloveivv combinedinstallationofphotovoltaicpanelwithconcentratorsandhydrogenenergystorage |
| first_indexed |
2025-11-25T21:07:24Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:07:24Z |
| _version_ |
1850550297814892544 |
| fulltext |
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 69
В. В. Филенко
В. В. Соловей, д-р техн. наук
Інститут проблем
машинобудування
ім. А. М. Підгорного
НАН України, м. Харків,
е-maіl: fylenko@gmail.com,
solovey@ipmach.kharkov.ua
Ключові слова: відновлювані дже-
рела енергії, фотоелектричний пе-
ретворювач, електролізер, водень,
концентратор.
УДК 620.92
КОМБІНОВАНА ФОТОЕЛЕКТРИЧНА
УСТАНОВКА З КОНЦЕНТРАТОРОМ ТА
ВОДНЕВИМ НАКОПИЧУВАЧЕМ ЕНЕРГІЇ
Наведено методику розрахунку фотоелектричної установ-
ки зі стаціонарним параболоциліндричним концентрато-
ром. Розглянуто можливість комбінованого використання
сонячного електроенергії у поєднанні з електролізерами во-
дню високого тиску для зниження екологічного наванта-
ження на урбанізовані території.
Постановка проблеми
Сонячна електроенергетика невпинно збільшує свою частку в світовому енергетичному бала-
нсі. Серед головних перешкод ефективного використання енергетичного потенціалу сонячного ви-
промінювання слід виділити його низьку щільність та високу нерівномірність надходження як протя-
гом світлового дня, так і в залежності від пори року. Одним зі шляхів подолання або мінімізації вка-
заних перешкод може стати створення спеціалізованих систем концентрування сонячного випромі-
нювання у поєднанні з системами акумулювання енергії або виробництва екологічно чистого палива.
Доцільність першої частини такого підходу для фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) науково об-
ґрунтовано та реалізовано на практиці [1].
Друга частина пропонованого підходу полягає у використанні системами акумулювання енер-
гії або виробництва екологічно чистого палива. Як перспективні проекти у цьому напрямі, можна ви-
ділити роботи, направлені на використання інноваційних водневих технологій в інфраструктурі пали-
вно-енергетичного комплексу, що може істотно зменшити споживання вуглеводневих палив і дозво-
лити поліпшити стан навколишнього середовища у техногенно-навантажених промислових регіонах.
За рахунок використання систем концентрування можливо не лише підвищити енергетичну
ефективність використання ФЕП, знизивши при цьому використання дорогих напівпровідникових
матеріалів, але й згладити нерівномірність надходження сонячної радіації і покращити економічні та
експлуатаційні показники, зокрема систем з використання відновлюваних джерел енергії. Слід зазна-
чити, що такий підхід вимагає чіткого узгодження параметрів концентратора з параметрами енерго-
перетворювачів. Як наслідок, необхідно забезпечити високу точність розрахункових характеристик
концентруючих систем з урахуванням розподілу щільності сконцентрованого випромінювання на
поверхні ФЕП.
Виклад основного матеріалу
Зважаючи на актуальність проблеми, в сучасній науковій літературі багато уваги приділяється
різноманітним видам та моделям концентраторів сонячного випромінювання, що передбачають наяв-
ність систем стеження за сонцем (параболічні концентратори) або створення принципово нових фо-
тоелектричних панелей (з використанням призмоконів, лінз Френеля, фоконів та фоклінів, голографі-
чних та люмінесцентних концентраторів, жалюзійних геліостатів – концентраторів та ін.). Окремо
слід виділити стаціонарні циліндричні концентратори з U-подібним профілем та їх варіації (концент-
ратори з S-подібним вторинним рефлектором, циліндричні ω-подібні концентратори, багаторівневі
системи концентрації та ін.), для яких передбачається використання фотоелементів з двосторонньою
робочою поверхнею [2].
В. В. Филенко, В. В. Соловей, 2016
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 70
З метою підвищення ефективності використання сонячної інсоляції пропонуємо застосовува-
ти типові стаціонарні ФЕП у поєднанні з параболоциліндричним концентратором (2) та горизонталь-
ним розміщенням фотоприймаючої поверхні(1) (рис. 1).
З метою визначення реальної геометричної концентрації та запобігання затіненню гілкою па-
раболи необхідно розрахувати ширину концентратора (ширину по міделю) та його глибину. Крива
ОМ є частиною гілки параболи, котра описується рівнянням
y
2
= 2⋅p⋅x = 4⋅f⋅x,
де р – фокальний параметр параболи; f– фокусна відстань параболи.
Граничний кут, що потрапить до концентратора та не буде затінятися його стінкою, проходи-
тимете по дотичній до параболи в точці М(х, у) та буде направлений під кутом граничної висоти Сон-
ця β до осі абсцис. В зазначеній проекції цю пряму можна описати рівнянням
у = х⋅tgβ + b,
де b – координата перетину дотичної до осі ординат, b = у/2.
Розв’язок системи таких рівнянь можна записати у вигляді
,
tg
2
,
tg2 β
⋅
=
β
=
f
y
f
x
Легко бачити, що відстань до фокальної площини L в даному випадку співпадає з координа-
тою у точки А, тобто
β
⋅
=
tg
2 f
L .
Геометрична концентрація Kг0 визначається через відношення ширини концентратора до ши-
рини приймача за формулою
f
L
K =г0 ,
або
Рис 1. Розрахункова схема параметрів концентратора
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 71
β
=
tg
2
г0K .
Графік зміни геометричної концентрації при зміні кута β наведено на рис. 2.
Дані рис. 2 свідчать, що при значеннях β > 45° коефіцієнт геометричної концентрації не пере-
вищуватиме 2, а при β > 63,5° стає менше 1. Тобто з точки зору ефективності немає сенсу використо-
вувати установку з кутом розкриття параболи менше 63,5°, а рекомендований кут розкриття повинен
бути не більше 45°.
Робочий кут системи зі стаціонарним концентратором можна знайти геометрично з рис. 1
).tg2arctg(
,tg2
tg
tg2
tg
2
β⋅=α
β⋅=
⋅β
β⋅⋅
==α
f
f
x
y
n
n
,
З метою забезпечення ефективної роботи системи необхідно уникнути затінення фотоелемен-
тів концентратором, тобто
α ≤ h0,
де h0 – максимальна висота Сонця над горизонтом, град.
Максимальну висоту Сонце матиме у день літнього сонцестояння. Саме у цей день (21–22 че-
рвня) висота Сонця в астрономічний полудень може бути знайдена через широту місця спостережен-
ня
h0 = 90° – ϕ + δ0,
де ϕ – широта місцевості; δ0 – кут нахилу земної осі обертання до нормалі площини обертання Землі,
δ0 = 23,45°
Так, для м. Харкова, що лежить на широті 50°, висота Сонця складе 63,45°. Тоді, апертурний
кут параболи °=
α
=β 77,44
2
tg
arctg .
Відомо [1], що геометрична концентрація стаціонарного концентратора є величиною змінною
і залежить від кута схилення Сонця δ та часового кута ψ
Kг = Kг0⋅cosδ⋅cosψ.
Рис 2. Залежність геометричної концентрації від кута розкриття параболи
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 72
Враховуючи залежність кута
схилення Сонця δ від порядкового
номера світлового дня від початку
року, з достатньо високою точністю
за формулою Купера можна отрима-
ти функцію зміни геометричної кон-
центрації зазначеного концентратора
протягом календарного року
+
⋅°⋅°=δ
365
284
360sin45,23)(
n
n ,
де 360° – значення повного оберту
Землі навколо Сонця за рік; 365 –
число днів у році; 284 – кількість діб
від 21 березня до 31 грудня; 23,45° –
кут нахилу умовної земної осі обер-
тання; n – порядковий номер кален-
дарного дня від початку року.
Вважаючи часовий кут ψ таким, що дорівнює 0, а кут схилення Сонця δ незмінним протягом
дня, функція геометричної концентрації матиме вигляд
+
⋅°⋅°⋅=
365
284
360sin45,23сos0гг
n
КK ,
або, враховуючи наведене вище
+
⋅°⋅°⋅
β
=
365
284
360sin45,23сos
tg
2
г
n
K .
Для м. Харкова графік зміни геометричної концентрації протягом року наведено на рис. 3.
Довжину дуги параболи параболоциліндричного концентратора можна знайти, взявши визна-
чений інтеграл
( ) ∫∫
⋅
+=+=
nn yy
dy
f
y
dyyxL
0
2
0
2
пар
2
1)(1 ,
Взявши визначений інтервал, отримаємо таке рівняння:
β
β+
+
β
β
⋅=
sin
cos1
ln
sin
cos
2пар fL ,
Результати аналізу свідчать, що з метою підвищення ефективності системи у широтах вище
50°
доцільно виконувати підйом північної частини фотоелектричної панелі відносно горизонту на кут
αпов. Методика розрахунку залишиться незмінною, додатково потрібно виконати перехід до нової си-
стеми координат.
Таким чином, знайти координати точки М з координатами (х1, у1) відносно координат (х, у) у
вихідній системі
+α⋅−α⋅=
+α⋅−α⋅=
.cossin
sincos
повпов1
повпов1
byxy
ayxx
Легко бачити, що a = 0, коли b = f⋅sinαпов.
Інтегральна інтенсивність сонячного випромінювання, що потрапляє на поверхню фотоеле-
мента, складається з суми безпосередньо сонячного випромінювання на горизонтальну площину фо-
тоелемента Iгор та інтенсивності відбитого випромінювання від концентратора Ікон
0 73 146 219 292 365
1.8
1.82
1.84
1.87
1.89
1.91
1.93
1.95
1.98
2
2.02
K n k,( )
n k,
Рис. 3. Коефіцієнт геометричної концентрації протягом року
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 73
I = Iгор + Ікон.
В свою чергу, інтенсивність сфокусованого концентратором випромінювання у нашому випа-
дку може бути подана у вигляді
Ікон = Івер⋅Kг0⋅τ,
де Івер – інтенсивність сонячного випромінювання на вертикальну поверхню у період 0 < h0 ≤ β; τ –
оптичний ККД концентратора, що залежить від матеріалу покриття концентратора та його технологі-
чного виконання.
Результати розрахунку сонячної інсоляції на одиницю площі сонячної панелі для м. Харкова
за даними довгострокових спостережень (липень 1983 – червень 2005 р.) [3] наведено на рис. 4.
ЕЛЕКТРОЕНЕРГІ
Я СПОЖИВАЧЕВІ
ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЯ
СПОЖИВАЧЕВІ
КИСЕНЬ
ВОДЕНЬ
Рис. 5. Принципова схема автономного геліоенергетичного водневого
енерготехнологічного комплексу для заправки автотранспорту:
1 – фотоелектрична станція зі стаціонарним концентратором сонячного випромінювання; 2 – інвертор і систе-
ма керування; 3 – електролізер високого тиску; 4 – балони для комерційної реалізації газів; 5 – насос; 6 – бак
опрісненої води; 7 – бак початкової води; 8 – опріснювальний блок; 9 – накопичувальні ємності для водню і
кисню; 10 – металогідридні модулі для тривалого зберігання і стискання водню
Рис 4. Сумарний місячний рівень сонячної інсоляції для різних кутів нахилу приймаючої поверхні
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 74
Дані, наведені на рис. 4, демонструють, що використання сконструйованої системи концент-
рування протягом усього року дозволить у 2,3 рази підвищити надходження сонячного випроміню-
вання на одиницю площі, знизивши при цьому рівень сезонних коливань сонячної інсоляції на повер-
хні приймача з 2,44 до 2,1.
При використанні стандартних полікристалічних фотоелектричних модулів з ККД 14,35% та
інвертора з ККД 0,96 можна розрахувати питомі та сумарні добові значення виробітку електричної
енергії для ФЕП з концентратором (таблиця).
Розрахункові значення генерації електричної енергії
Місяці
Виробіток
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Рік
Місячний, кВт⋅год/м
2
29,5 37,1 40,9 39,5 47,6 43,8 47,3 47,5 40,8 33,1 22,7 22,9 452,7
Добовий 140 модулів
KM 235P-60, кВт⋅год
218,0 303,5 302,6 301,3 352,2 334,4 349,7 351,3 312,0 245,0 173,1 169,0 3346,7
Сучасний рівень водневих технологій, які реалізуються зокрема в електрохімічних установ-
ках, створених в ІПМаш НАН України, дозволяє виробляти і накопичувати водень в системах з висо-
ким тиском, безпосередньо в умовах водневих заправних станцій і використовувати його як екологіч-
но чисте паливо в автомобільних двигунах і паливних елементах, що знижує токсичність відпрацьо-
ваних газів транспортних засобів і забезпечує економію вуглеводневих енергетичних ресурсів [4].
З метою зниження гостроти енергоекологічної кризи пропонується розширити використання
відновлювальних видів енергії шляхом створення сонячно-водневої заправної станції (СВС) на базі
Рис. 6. Потенціал геліоенергетичних ресурсів
для виробітку електроенергії та водню на території України [5]
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 19, № 3 75
новітніх технологій для забезпечення автотранспорту та побутових споживачів екологічно чистим
паливом – воднем, схема, якої подана на рис. 5.
Дослідження енергетичних і режимних характеристик обладнання, яке було розроблено для
використання в технологічних схемах СВС, дозволили визначити основні показники роботи установ-
ки залежно від геокліматичних умов експлуатації. Результати проведених теоретичних досліджень
щодо залежності добового виробітку Н2 (водню) і О2 (кисню) від місяця року та її розподіл по тери-
торії України наведено на рис. 6.
Висновок
Використання стаціонарних напівпараболічних концентраторів запропонованої конструкції
протягом року дозволить у 2,3 рази підвищити надходження сонячного випромінювання на одиницю
площі, знизивши при цьому рівень сезонних коливань сонячної інсоляції на поверхні приймача 14 %.
Література
1. Стребков, Д. С. Концентраторы солнечного излучения / Д. С. Стребков, Э. В. Тверьянович. – М.: ГНУ
ВИЭСХ, 2007. – 318 с.
2. Optimal orientation of non tracking solar concentrator in northern region / D. S. Strebkov, A. E. Irodionov,
V. P. Tarasov, E. G. Bazarova // 11-th International Conf. on Solar Energy at High Latitudes. – Riga. – 2007. –
P. 62.
3. Surface meteorology and Solar Energy [електронний ресурс]. – Режим доступу: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse
4. Соловей, В. В. Активация водорода и водородсодержащих энергоносителей / В. В. Соловей,
М. А. Оболенский, А. В. Бастеев. – Киев: Наук. думка, 1993. – 168 с.
5. Филенко, В. В. Комбіноване використання водневої та сонячної енергетики в Україні / В. В. Филенко,
О. Л. Агапова // Наука і сучасність: виклики глобалізації: Зб. центру наук. публікацій «ВЕЛЕС» за матеріа-
лами ІІ міжнар. наук.-практ. конф. Ч. 1. – К.: Центр наук. публікацій, 2016. – С. 110–114.
Надійшла до редакції 16.07.16
|