ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Системы слежения, основанные на принципе использования пружин, выполненных из формозапоминающих сплавов

Эти системы слежения основаны на использовании принципа действия формозапоминающих сплавов, например NiTi. Такие сплавы, будучи подвер­женными деформации, «помнят» свою изначальную форму и, достигая опреде­ленной температуры, так называемой температуры преобразования, возвраща­ются к ней. Сплавы с двусторонним элементом памяти возвращаются к перво­начальной форме после понижения температуры. Если используется компонент с односторонней памятью формы, должен использоваться дополнительный компонент, например классическая пружина, с тем чтобы возвратить сплав к его деформированной форме. Эти характеристики могут обеспечить компонен­ты, изготовленные из таких сплавов, которые позволяют выполнять механиче­скую работу при повторяющихся циклах нагрева и охлаждения.

Существуют различные конструкции систем слежения, основанных на этом принципе. Мы представляем концепт такого устройства [17]. Это устрой­ство состоит из вращательно связанных статора и ротора, а также снабжено линзой, необходимой для того, чтобы сконцентрировать солнечное излучение. В качестве приводов использованы пружины, сделанные из титано-никелевого сплава памяти формы и выполненные как вогнутые металлические листы, по­мещенные в центр линзы. Работа системы основана на том факте, что приводы, размещенные в ящике, имели поверхности, подготовленные для поглощения энергии солнечного излучения. Один конец прикреплялся к ротору, другой — к статору, что делало возможной прямую передачу силы от привода к ротору. Выпуклая линза, установленная над ящиком, прикреплялась к ротору, а ее фо­кус попадал на конец привода, присоединенного к ротору. Присоединение лин­зы к ротору гарантирует, что оптическая ось линзы всегда будет более или ме­нее параллельна падающей радиации.

Направление фокуса линзы на конец привода автоматически регулирует энергию солнечного излучения, падающего на приводы (петля обратной связи). Ротор связан с вращательной осью стенда слежения. Рис. 15.4 иллюстрирует работу устройства, описанного выше. Виден цилиндрический блок с линзой, закрепленной на нем. Оптическая ось линзы ориентируется перпендикулярно к продольной оси блока. Цилиндрический блок с ротором U-образной формы, ус­тановленным на нем таким образом, чтобы он мог вращаться, размещен на час­ти сегмента оси, зафиксированной на статоре прямоугольной формы который виден внутри блока.

Приводы выполнены из двустороннего формозапоминающего сплава в виде металлических листов вогнутой формы и помещены в блок в фокусе ахроматической линзы. Толщина приводов увеличивается от их концов к их центрам, от 0,5 мм до 1,0 мм. Зеркало, установленное между приводами, защи­щает их от перегревания, отражая лишнее солнечное излучение

Внутренние поверхности приводов покрыты слоем, абсорбирующим сол­нечное излучение, и металлической фольгой. Последнее предотвращает потери іепла за счет излучения от приводов. Внешняя поверхность приводов покрыта теплоизолирующим слоем. При температурах ниже температуры преобразова­ния формы приводы деформированы и имеют вогнутую форму, показанную на рис. 15.4,а.

Перед восходом Солнца оба привода находятся в своих начальных поло­жениях (рис. 15.4,а). После восхода Солнца ахроматическая линза концентриру­ет солнечное излучение на одном из приводов. Когда температура привода пре­высит температуру формопреобразования, привод деформируется до тех пор пока фокус ахроматической линзы не сдвинется к зеркалу, которое отразит излу­чение назад из блока (рис. 15.4,6). Каждое изменение в положении центра ахро­матической линзы вызывает такую деформацию приводов, которая автомати­чески устанавливает ротор так, что зеркало фиксируется в центре линзы Пре­делы слежения, в которых в этом случае ротор может изменять свое положение,

Рис. 15.5. Идеализированная зависимость выработки электроэнергии от времени
в течение дня для стационарных модулей (фиксированный стенд) и для модулей
с системами слежения, управляемыми пружинами из формозапоминающих
сплавов, в летние и зимние периоды

составляют около 120°. Устройство может быть сконструировано в форме простой модификации, с использованием односторонних приводов на основе сплава памяти формы и классической пружины для возвращению устройства к стартовой позиции.

Однако у описанного устройства при наличии многих преимуществ есть и некоторые неудобства. Во-первых, оно работает с очень низкой эффективно­стью. Кроме того, при низких зимних температурах устройство или не работает совсем, или утренняя ориентация модуля на восток производится только поздно утром, когда Солнце уже высоко над горизонтом. Это имеет место вследствие того, что при холодной погоде для приводов очень трудно достичь температу­ры преобразования формы. Если же использовать сплав памяти формы с более низкой температурой преобразования, то летняя температура не уменьшилась бы до этого значения, что вызвало бы летние отказы, когда результирующие потери мощности были бы еще выше чем зимой.

Рис. 15.5 представляет идеализированную кривую мощности модуля как функцию времени дня для неподвижного модуля и для модуля, оснащенного системой слежения на основе описанной выше конструкции (сплавами памяти формы) в течение зимнего и летнего сезонов. Очевидно, что зимой, когда вос­точная переориентация происходит поздно, общая сумма энергии, произведен­ной модулем с системой слежения, еще ниже, чем для неподвижного модуля. (Количество произведенной энергии пропорционально области ниже кривой на диаграмме). Небольшое уменьшение выходной мощности фотоэлектрических модулей с системой слежения по сравнению с неподвижными фотоэлектриче­скими панелями в полдень происходит из-за их более высокой температуры и, соответственно, уменьшенной эффективностью фотоэлектрического преобра­зования солнечной энергии.

Неудобства вышеописанных устройств для автоматической ориентации устранены в новом устройстве под названием, 1Г "23J (для СЛедящей оси)> изготовленном компанией Poulek So­ar Ltd. Poulek Solar Ltd - это компания, работающая в научном плане в сотруд­ничестве с Инженерным факультетом Чешского университета сельского хозяй­ства (Прага), а также с ВИЭСХом.

Схематически устройство представлено на рис. 15.6 [2, 18. 20, 50]

Идея устройства состоит в том, чтобы установить контрольную панель (с солнечными элементами для преобразования солнечной энергии в электри­ческую) на оси вращения. Панель состоит из двух секций, повернутых на 180° друг относительно друга (главная секция в западном и дополнительная секция в восточном направлении). Плоскость контрольной панели отклонена в восточ­ном направлении от плоскости перпендикулярной панели солнечных элементов (и параллельной оси вращения) под углом приблизительно 15-20° Обе сек­ции антипараллельно соединены с электромотором, присоединенным к оси вращения устройства (см. коммутационную схему на рис. 15.7).

запад

Угол Д должен быть подобран так, чтобы, если угол падения солнечного излучения (р > 90° - Д то мощности двигателя будет недостаточно, чтобы ориен­тировать устройство, но если угол падения солнечного излучения <р< 90° - Р, то мощность двигателя будет достаточной, чтобы ориентировать устройство. Таким образом, если контрольная панель освещена солнечным излучением с какой-либо стороны с углом падения (р < 90° - Д то сигнал от этой стороны бу­дет более сильным, чем сигнал от противоположной стороны, и электроэнер­гия, произведенная контрольной панелью, заставит двигатель поворачивать систему так, чтобы увеличить угол падения относительно контрольной панели. Вращение останавливается, когда угол падения будет равен <р = 90°- Д потому что в этом случае питание двигателя становится ниже порога, необходимого для того, чтобы переориентировать систему. Поскольку угол падения относи­тельно контрольной панели уменьшается из-за движения Солнца по небоскло­ну, система перемещается, чтобы увеличить его снова. В солнечный день сис­тема поворачивается пошаговым возрастающим способом (а не непрерывно) с востока на запад. Наши измерения показали, что отклонение системы от пер­пендикуляра по отношению к направлению солнечного излучения в худшем случае составляет А<р < 5°.

Имея в виду, что проекция фотоэлектрических панелей на плоскость, перпендикулярную к направлению солнечного излучения, прямо пропорцио­нальна косинусу угла падения, мы можем видеть, что различие в обеих облас­тях меньше, чем 4 промилле. Влияние этого различия на количество произве­денной энергии, очевидно, незначительно. Это устройство использует отрица­тельную обратную связь, энергия от контрольной панели питает двигатель. Ме­ханическое сопротивление системы и сопротивление среды действуют против этой движущей силы.

В солнечный день устройство работает следующим образом. Утром, пе­ред восходом Солнца, устройство обычно ориентировано на запад, т. е. нахо­дится в положении, в котором установка прекратила работу предыдущим вече­ром. После восхода Солнца солнечное излучение попадает на вспомогательную секцию контрольной панели, связанной с двигателем (рис. 15.6, а). Двигатель заставляет устройство поворачиваться к Солнцу, к восточной ориентации до тех пор, пока мощность, питающая двигатель, не понизится ниже порогового уровня, необходимого для того, чтобы ориентировать установку.

Затем устройство ориентируется грубо на Восток, и тогда угол падения солнечного излучения составит <р = 90° - Д. Далее Солнце перемещается на запад на угол 2р. В этом диапазоне углов преобразователи солнечной энергии не от­слеживают Солнце, потому что мощность, подаваемая на двигатель, слишком мала, чтобы переориентировать их. По мере дальнейшего движения Солнца на Запад солнечное излучение начинает попадать на главную секцию контрольной панели, связанной с двигателем. Двигатель, приведенный в действие энергией от контрольной панели, поворачивает устройство с тем, чтобы следовать за Солнцем на Запад. Модуль следует за Солнцем пошагово (рис. 15.6, б, с). Рисунок 15.6, б

показывает, что независимо от того, с какой стороны светит Солнце, контрольна» панель всегда освещается солнечными лучами. Это важно для ситуаций, для ко­торых облачность вероятна в более длинные периоды в течение дня.

Обе стороны контрольной панели скомпенсированы в смысле воздейст­вий однородной диффузной солнечной радиации. В данном устройстве одна из этих двух секций, включенных встречнопараллельно, всегда отклоняется от прямой солнечной и околосолнечной радиации, и диффузной солнечной радиа­цией можно пренебречь. Устройство использует и прямую солнечную и около­солнечную радиацию. В стандартном режиме оно использует всю выходную мощность фотоэлектрических элементов, связанных с двигателем (не только дифференциал мощности, как в случае пирамиды фотоэлементов). Поэтому для контрольной панели совсем не обязательно иметь строго плоские и параллель­ные стороны. Контрольная панель не должна быть обязательно расположена на оси вращения, но может, например, располагаться на гребне концентратора солнечного излучения, как на рис. 18.59. Обе секции могут быть установлены и отдельно на сторонах фотоэлектрической системы, как на рис. 18.56 и 18.100.

Точность слежения за Солнцем, необходимая для получения максималь­ной выработки энергии, составляет около А<р< 10°, допускающего преимуще­ственно прямое солнечное излучение. Система слежения TRAXLE™ отвечает этим требованиям в такой степени, чтобы точность слежения за Солнцем была оптимальна, но не максимальна. Точность слежения за Солнцем, необходимая для получения максимальной выработки энергии, составляет всего лишь около А<р <30° при доле рассеянного солнечного излучения более 50%. В предельном случае, при полностью облачном небе с наличием только рассеянной радиации, в слежении за Солнцем нет необходимости.

При установке электромотора в полую ось вращения устройства, его сборка облегчается. Устройство, кроме того, более компактно, чем сущест­вующие конструкции с линейными электроприводами. Двигатель представляет юбой механизм с автоблокировкой, которая защищает его от повреждения внешними силами, такими, как порывы ветра. Двигатель, перемещая торсион - но-деформируемую призму, параллельную продольной оси стенда, обеспечива­ет передаточное отношение 1 : 1000. Ведущая гайка, зафиксированная на под­вижной части стенда, установлена на призме. Прямое присоединение электро­мотора к солнечным элементам, без каких либо еще дополнительных электрон­ных схем делает устройство более простым и, таким образом, более надежным. )го устройство имеет значительно более низкие издержки производства, более простую и более компактную конструкцию, а также более высокую эффектив­ность, по сравнению с другими устройствами для ориентирования плоских сол­нечных модулей, как описано выше. Кроме того, это устройство работает без каких-либо других источников энергии, потому что солнечная энергия исполь - іуется и для того, чтобы привести двигатель системы в действие. Реально су­ществующие фотоэлектрические системы со слежением с помощью стенда типа IRAXLE представлены на рис. 18.47 - 18.51 и 18.57 - 18.60. Система, уста­новленная и испытанная в Чешском Университете сельского хозяйства (г. Прага),

Рис. 15.8. Принципиальная схема системы слежения TRAXLETM с углом 360°
для использования за Полярным кругом

приводится нарис. 18.98 - 18.101. На рис. 18.55 - 18.56 и 18.103 представлены фотоэлектрические электростанции с системой слежения типа TRAXLE1 '.

Существует также вариант системы TRAXLEIM, пригодный для отслежи­вания положения Солнца в пределах 360° - для использования в районе Поляр­ного круга или в космосе [19]. В этом случае ось вращения и ФЭ панели ориен­тируются вертикально. Вместо винтовой передачи используется эпицикличе­ская передача, пульт управления размещен перпендикулярно к фотоэлементам под углом р.

Двусторонние солнечные панели эффективны в тех случаях, когда облач­ность длится существенно длительный период, а затем появляется Солнце. В этом случае система может повернуть в сторону Солнца переднюю или тыль­ную плоскости - в зависимости от непосредственного положения Солнца отно­сительно ФЭ системы. Схематическая диаграмма такой конфигурации представ­лена на рис. 15.8. Электронная схема такой системы еще более проста, чем опи­санная ранее. Можно заметить, что в этой конфигурации фотоэлектрические па­нели не ориентируются перпендикулярно к солнечному излучению, но угол па­дения равен точно значению р. Реальная система изображена на рис. 18.52.

Существуют также системы, автоматически отслеживающие положение Солнца относительно двух осей. Двухосное слежение используется иногда для того, чтобы еще больше увеличить количество произведенной энергии [27, 48]. Такую систему фотоэлектрических панелей, представленную на выставке в Барселоне в 2005 г., можно видеть на рис. 18.68. Рисунок 18.69 представляет систему, показанную в 2007 г. в Милане. Однако представляется сомнитель­ным, что усложнение и удорожание устройств, обеспечивающих перемещение панели по двум осям, в достаточной степени компенсируются увеличением вы­работки электроэнергии. Слежение за Солнцем относительно второй оси может увеличить количество выработанной энергии на 5% в лучшем случае, которые, возможно, в ряде случаев и не столь важны.

Рис. 15.9. Временнэя зависимость мгновенной мощности

(один со стационарным стендом, другой со слежением)

Можно показать, что слежение по второй оси эквивалентно установке по­ложения полярной оси для работы в летний и зимний периоды, т. е. можно вручную переналаживать положение оси дважды в год. Это приводит почти к такому же увеличению выработки энергии, какое было бы достигнуто при ис­пользовании автоматического слежения относительно второй оси.

На рис. 15.9 приведены примеры выполненных нами фактических изме­рений зависимости мгновенной мощности от времени для условий Праги 6 — Suchdol (50° северной широты) в течение 2005 г. Мы сравнили две идентичных панели максимальной мощностью Ртах = 40 Wp. Первая была установлена на стенде автоматического слежения за Солнцем типа TRAXLE™, другая на не­подвижном стенде без слежения. Город Прага расположен на долготе 15 граду-

сов в. д. В течение лета Солнце достигает своего самого высокого положения в небе приблизительно в 1 час после полудня.

Как уже было отмечено ранее, количество произведенной энергии соот­ветствует области ниже кривой на диаграмме. Очевидно, что рост производства энергии в солнечные дни за счет использования стенда слежения действительно значительный. 2 мая 2005 г. повышение выработки составляло 30%. 19 сентяб­ря 2005 г. наблюдалось наибольшее повышение, на 39%.

Понятно, что это различие существенно меньше в облачные дни. Можно также заметить, что энергия, произведенная в солнечные дни, больше днем в условиях Центральной Европы, так как утром атмосфера обычно содержит больше водяного пара, который поглощает радиацию в ближней инфракрасной области. Следовательно, максимум кривой для подвижной группы (со слежени­ем) имеет место в 2 часа после полудня.