РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ С ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ

Короткий зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та визначено основні завдання дослідження. Описано об’єкт і предмет дослідження, перелічені методи, що використовуються під час виконання дисертаційної роботи. Викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів із зазначенням особистого внеску автора.

У першому розділі проведено глибокий всебічний аналіз світового досвіду будівництва сучасних сонячних станцій. На основі такого аналізу доказано необхідність їх подальшого вдосконалення та показано принципова можливість проведення такого вдосконалення, базуючись на нових перспективних технологіях перетворення енергії сонячного випромінювання.

Об’єктивна необхідність розвитку промислових сонячних електростанцій пов’язана з суттєвим дефіцитом енергоресурсів та значними екологічними проблемами. У цьому зв’язку розглядаються передумови для створення в Україні сучасної інфраструктури будівництва та експлуатації перспективних сонячних станцій. До таких передумов відносяться сприятливі кліматичні умови, наявність вільних земельних ресурсів, матеріальної та технологічної бази, кваліфікованого персоналу. Важливою умовою, яка стимулює введення в експлуатації об’єктів сонячної енергетики на території України, є наявність прогресивних державних правових актів щодо будівництва та експлуатації подібних об’єктів, всебічна підтримка таких робіт зі сторони уряду.

Запропонована концепція нової термофотоелектричної станції синтезує в собі головні риси основних концепцій сонячних станцій, які є найпоширенішими в світи. В розділі проводиться обґрунтований огляд кожної з них, а саме, фотоелектричних сонячних станцій з полем плоских сонячних батарей без охолодження, станцій з розподіленими теплоприймачами, що знаходяться в фокусі параболоциліндричних концентраторів, станцій з полем геліостатів, які фокусують сонячне випромінювання на теплоприймач у вигляді вежі, а також сонячних станцій з параболоїдними концентраторами та двигунами Стірлінга.

Аналізуючи переваги та недоліки кожної з концепцій, робиться висновок про можливість запровадження нової сонячної технології, яка знаходиться на стику двох технологічних напрямків – фотоелектричного та термодинамічного  перетворення енергії Сонця. Перший зі способів характеризується відносно низькою ефективністю, підвищення якої неможливо без охолодження сонячних елементів. Утилізовану при охолодженні теплоту пропонується використовувати для подальшого перетворення в паротурбінному циклі. Суміщення фотоелектричного та термодинамічного перетворення дає значний приріст ККД сонячної станції, при цьому його значення буде визначатися асоціативно, тобто складатися з суми фотоелектричного та термодинамічного ККД. Сонячні станції побудовані за таким принципом мають інші суттєві переваги, перелік яких наведено в роботі.

Перелічені об’єктивні та суб’єктивні передумови для успішної реалізації проектів комбінованих станцій, серед яких наявність існуючих прототипів таких станцій. Таким прототипом можна вважати енергетичні установки на основі плоских сонячних колекторів, в конструкції яких присутні сонячні елементи. Такі пристрої, широко поширені за кордоном, формують нову термофотоелектричну технологію, впровадження якої в промислових масштабах може вивести сонячну енергетику на новий етап розвитку, зрівнявши собівартість «сонячної» електричної енергії з собівартістю електричної енергії з традиційних теплових станцій.

            Послідовне впровадження передової PVT-технології базується на науковому фундаменті, в якому синтезуються елементи з різних областей знань. Дослідженню таких енергосистем присвячено багато наукових робіт вітчизняних та іноземних вчених, серед яких необхідно відзначити Волкова Е.П., Гріліхеса В.О., Поліводу Ф.О., Васильєва В.А., Тарнижевського Б.В., Резцова В.Ф., Габрінця В.О., Сафонова В.О., Пухового І.І., Brauch P., Parrot J., Dietmar H., De Vos, Pauwels H., Бекірова Е.А. та інших. Однак на сьогодні створення загальної науково-методологічної концепції термофотоелектричних станцій знаходиться тільки в початковій стадії свого розв’язання. Вирішення такої проблеми дало б можливість оптимізувати кількісно та якісно характеристики основних елементів системи, суттєво зменшити їх собівартість, підвищити ефективність та конкурентоспроможність.

            Намічено шляхи та задачі, що пов’язані з аналізом можливих технічних рішень термофотоелектричних станцій та створенням обґрунтованих методів їх енергетичного розрахунку. Найбільш вдалим технічним рішенням є використання системи прийому сонячного випромінювання у вигляді параболоциліндричного концентратора в фокусі якого знаходиться панель арсенід-галієвих сонячних елементів, що розмішені всередині трубчатого теплоприймача з теплоносієм.  Теплоносій конвективно знімає залишкове тепло з панелі сонячних елементів, охолоджуючи її та передає це тепло в парогенераторі робочому тілу класичного паротурбінного циклу. Таким чином, система прийому сонячного випромінювання є ключовим елементом комбінованої станції, повність визначає її енергетичні, геометричні  та вартісні показники, підлягає детальному дослідженню, яке й проведено в даній дисертаційній роботі. 

            Другий розділ присвячено аналізу фізичних процесів та явищ, що відбуваються в кристалі сонячних елементів під впливом концентрованого сонячного випромінювання, визначенню типу та геометричних розмірів сонячних елементів, найбільш придатних для подальшого використання в комбінованих станціях.

            Під впливом сонячного випромінювання в кристалі сонячного елементу одночасно протікання процеси тепло- та електропровідності. Це ускладнює їх теоретичне дослідження. З точки зору квантової механіки, будь-який сонячний елемент є системою пов’язаних між собою елементарних часток, стан яких описується рівнянням Шредінгера. На його основі можливо розв’язати ряд задач по визначенню геометрії сонячних елементів.

            Використання методів фізики твердого тіла (кінетичного рівняння Больцмана, «Міо» – теорії, теорії електромагнітних полів) практичне неможливо при розв’язання практичних задач, пов’язаних з розрахунком енергетичних показників сонячних елементів в термофотоелектричних станціях. В якості основного методологічного підходу до проблеми врахування тепло- та електропровідності в шарі сонячного елементу в роботі пропонується використовувати узагальнене рівняння теплопровідності Фур’є. Потужність внутрішніх джерел в ньому обумовлена проходженням та поглинанням світла. Сонячний елемент розглядається як напівпрозоре тіло з поглинанням світла за законом Бугера. Такий підхід, поєднуючи макроскопічні параметри шару сонячних елементів з його мікроскопічними параметрами, дозволяє оцінити при заданій геометрії та типі напівпровідників їх допустиму температуру, що сприятиме побудові ефективного теплоутилізуючого  циклу та правильному розподілу складових теплового потоку.

            Енергетичні характеристики сонячних елементів визначаються його квантово-механічними показниками. Базуючись на експериментальних даних в розділі наведені основні квантово-механічні показники  найпоширеніших перетворювачів – кремнієвих та арсенід-галієвих. Аналіз наведених даних свідчить про значні переваги, що мають останні в порівнянні з кремнієвими при застосуванні в комбінованих термофотоелектричних станціях.

Середня величина коефіцієнту поглинання арсеніду галію в 40 – 50 разів вищі, ніж у кремнію. Саме в таку кількість разів зменшується товщина шару арсенід-галієвих в порівнянні з товщиною кремнієвих сонячних елементів для забезпечення заданих енергетичних показників. Таким чином, потреба у відносно коштовних арсенід-галієвих перетворювачах, які знаходиться під впливом концентрованого сонячного випромінювання, буде значно меншою, а саме, на 1 МВт потужності термофотоелектричної станції потрібно лише 63 кг арсеніду галія, проте кремнію – майже 8000 кг.     

            Визначення геометричних параметрів шару арсеніду галію в роботі проводилось на основі зонної теорії напівпровідників. Базуючись на останніх наукових розробках по підвищенню ККД цих елементів, в роботі пропонується взяти за основну трьохшарову модель, коли між р - шаром та  п - шаром існує проміжна і - зона з невисокою концентрацією носіїв. Ця зона становить енергетичну модуляцію, наявність якої суттєво підвищує ККД прямого перетворення.

            В таблиці 1 наведені геометричні та фізичні параметри мікроструктури арсенід-галієвих сонячних елементів. Уточнення товщини і - зони та визначення концентрації носіїв в ній  проводилось  на основі рівняння Шредінгера.

При проектуванні термофотоелектричних станцій необхідно виключити процес проникання випромінювання в базовий п - шар. Оцінку глибини проникання фотонів в тіло кристала було проведено на основі закону Бугера. Розрахунки показали, що вибрана структура кристала задовольняє умові поглинання короткохвильового сонячного випромінювання в верхньому р - шарі.