Световых лучей в солнечных электроустановках

ТИТОВА М.Е., КТИ (ф) ВолгГТУ, г. Камышин

Науч. рук. канд. техн. наук, доцент ПОЛИВАНОВ А.А.;

канд. техн. наук, доцент ГАЛУЩАК В.С.

В настоящее время солнечные батареи как источники электропитания широко применяются как на стационарных, так и подвижных объектах. Источники питания такого типа наиболее перспективны и будут активно применяться в будущем. Однако их мощность генерации существенно зависит от положения солнца относительно батареи. Максимальная генерация достигается при ортогональном падении солнечных лучей на поверхность батареи, а при изменении этого угла резко падает. Решением этой проблемы является использование различных методов изменения направления луча, положения батареи, отражателей или концентраторов солнечной энергии, которые обеспечивают ортогональное падение лучей на поверхность солнечной батареи. Эти методы можно условно разделить на две большие группы:

- механические;

- оптические.

В механических методах солнечная батарея устанавливается на поворотную платформу – гелиостат, либо используется зеркало (призма), которое поворачивается при движении солнца по горизонту и отражает луч так, чтобы он падал на солнечную батарею ортогонально.

В оптических методах применяются различные немеханические способы поворота луча, основанные на законах геометрической оптики.

Одним из известных примеров практической реализации механического метода является солнечная электростанция СЭС – 5, построенная в 80-е годы прошлого века в Крыму. В центре большого поля была расположена башня, в верхней части которой находился паровой котел, вокруг которого было установлено 1600 поворотных отражателей – гелиостатов, оборудованных редукторами. Громоздкость такой системы приводила к массовым отказам её элементов, в результате фокусировка отражённых лучей получалась размытой и электростанция не набирала номинальную мощность.

Следует отметить, что использование таких систем еще и небезопасно. Так, в июне 2016 года в США случился пожар на крупнейшей в мире солнечной электростанции ISEGS, расположенной в Калифорнии. Эта станция устроена аналогично СЭС – 5, но значительно мощнее ее. Сконцентрированный солнечный луч, в результате сбоя системы наведения и концентрации, сошёл с охлаждаемых солнцеприёмных поверхностей, продрейфовал на конструкции башни, сжигая всё на своём пути, возник пожар, который расплавил и сжег паропроводы, повредил электрические кабели.

У паровых солнечных электростанций, несмотря на более высокий КПД термодинамического цикла, нет перспектив дальнейшего развития. Тем не менее, станция подобного типа сейчас строится в Марокко.

Простейшим примером оптических методов является использование линз, фокусирующих солнечную энергию непосредственно на поверхность солнечной батареи, однако они малоэффективны. Более эффективными являются параболические или сферические отражатели, а также призмы Френеля, суммарная выработка энергии на которых существенно выше.

Наиболее же совершенным видом устройств такого вида являются голографические солнечные концентраторы, которые обеспечивают отбор из потока наиболее подходящих для генерации световых частот. В американской компании «Prism Solar Technologies» была создана фотоэлектрическая батарея, представляющая структуру с чередующимися полосами: полоска голограммы – полоска фотоприемника. Голографическая плёнка зажата между двумя слоями стекла, и на ней при помощи лазера выполнена тонкая интерференционная структура. Благодаря этому из солнечного спектра выделяются частоты, обеспечивающие наибольшую энергоотдачу. За счёт многократного отражения от голограммы и внутренней поверхности наружного стекла лучи концентрируются и направляются на участки между голограммами, где с обратной стороны закреплены фотоэлектрические панели.

Также следует отметить разработку белорусских ученых под руководством Пилипович В.А. Ими был разработан концентратор, включающий прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя голографическими решетками.

Адаптивные методы изменения направления солнечных лучей позволяют управлять углом поворота луча. В их основе используется свойство некоторых материалов изменять свои оптические характеристики в результате какого-либо внешнего воздействия. В дальнейшем авторы данной работы планируют сосредоточить свои исследования именно в данном направлении.

Современный опыт строительства и эксплуатации установок с концентраторами солнечной энергии всех типов пока еще незначителен, поэтому необходимо продолжать их активное изучение и расширять перспективы применения. Особенно актуальным является разработка адаптивных концентраторов энергии, предназначенных для установки на подвижных объектах.

УДК 621.315.1