International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

9 (May, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

PHYSICS AND MATHEMATICS

UDC 535-1/-3

DOI 10.36074/2663-4139.09.04

НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ФОТОТЕРМОГЕНЕРАТОРА С ФИКСИРОВАННОЙ ЩЕЛЬЮ

МАМАДАЛИЕВА Лола Камилджановна

кандидат технических наук, доцент, зав.кафедры «И и ИТ»

Ферганский политехнический институт

 

РЕСПУБЛИКА УЗБЕКИСТАН


Аннотация. В представляемой статье показана возможность оптимального распределения спектра света на фронтальные поверхности солнечного элемента и термоэлектрического преобразователя. По результатам экспериментальных исследований сделан вывод о трехкратном увеличении коэффициента полезного действия фотопреобразователя по сравнению с аналогами, но работающими без термопреобразователя.

Ключевые слова: фотопреобразователь, термопреобразователь, селективное излучение, эффективность, конструкция.

Введение

Вопросы эффективного преобразования световой энергии в электрическую не теряет своей актуальности. Несмотря на совершенствование технологии получения солнечных элементов, нахождение новых структур полупроводниковых материалов, учение продолжают поиск других возможностей более рациональной работы электростанций, работающих на фотоэлектрических преобразователях. Одним из таких технических решений [1] является разработка комбинированного преобразователя солнечной и тепловой энергии в электрическую – фототермобатарей (ФТБ).

Постановка задачи

Идея создания и первичные исследования высокоэффективных фототермогенераторов (ФТГ) селективного излучения себя оправдали [1-3]. Однако с этим возникает ряд проблем, связанные с расположением и правильной, а также четкой ориентацией отдельных преобразователей по оптической оси света, возникновением вероятности увеличения потерь излучения при разделении его по спектральному составу, и загромождением конструкции преобразователя в результате необходимости добавления приборов оптического назначения.

В связи с этим в настоящей работе приводятся результаты разработки и начальных исследований электрофизических и энергетических характеристик ФТГ с избранной щелью.

В данной конструкции (рис.1) предусмотрен расположение кремниевых фото- и термоэлектрических преобразователей на основе полупроводниковых материалов из тройного соединения BiTeSe (n - тип) и BiTeSb (р - тип) так, чтобы в зависимости от фотоактивности ФЭП на определенного спектра излучения, после дисперсии светового пучка в оптическую ось размещается фотопреобразователь, затем вокруг ФЭП вмонтируется термопреобразователь. Такой способ монтажа и соединения практически всегда необходимо. Это объясняется следующими. Во-первых, свет пройдя через оптическую систему, распределяет последовательность цвета исходя из электрофизических и оптических свойств материала оптического стекла, во-вторых, пока еще нет конкретных результатов исследований рекомендующих высокоэффективного разделения света именно на две части; Часто необходимый спектр может оказаться в середине разделенных цветов. В-третьих, солнечный элемент, изготовленный из одного и того же полупроводникового материала с разными технологиями, имеет спектральную чувствительность по разным цветовым областям. В-четвертых, не всегда солнечный элемент изготавливается из кремния. Он может быть изготовлен из других полупроводниковых материалов как гомо- так и гетероструктурой.

Из рисунка видно, что заранее измеренное и определенное фото активное излучение через специальной щели увеличения световых потерь, щель через который проходит избранное излучение, по геометрическим размерам должен строго соответствовать поверхности ФЭП. Вокруг фотоэлектрического преобразователя, в зависимости от места попадания других излучений, размещается термоэлектрический преобразователь. В целом обеих преобразователей возможно собирать на одну плоскость. При этом, согласно результатам теоретических исследований, коэффициент поглощения и преломления будет подчиняться общеизвестным законам физики.

Фронтальные поверхности преобразователя может быть собран с различной конфигурацией (см.рис.1, все три варианта!). Поэтому в предидушей главе приведены несколько вариантов конфигураций оправок для сборки ФТЭПСИ. Это зависит от геометрической формы фотоэлектрического преобразователя и размеров площади разделенного по спектрам светового пятна. Прикрепление коммутационных пластин горячих спаев термопреобразователя в одну единую кольцо образную или прямо угольную общую поверхность (например, из материала окиси бериллия ВеО[4,5,6], так как температурные коэффициенты расширения ВеО и горячих коммутационных пластин ТЭ близки!) устраняет значительное количество световых потерь, исчезающих между преобразователями не эффективно.

Рис.1. Схема расположения селективного фототермогенератора с разной компоновкой. 1-призма, 2-фотопреобразователь, 3-p- и n-ветви термоэлемента, 4-горячий спай ТЭ, 5-холодный спай ТЭ.

 

Экспериментальное исследование

Проверка практичности в использовании селективного фототермо-генератора светового излучения показала, что внедрение данной конструкции приводить к упрощению сборочно-монтажных работ в строительстве электростанций. Потери световой энергии за счет пространства между преобразователями составляет около 3% (для случая покрытия поверхности термопреобразователя сплошной тепловоспринимающей поверхности из керамического материала). Коэффициент полезного действия термоэлектрического преобразователя практически равен к значениям приведенной в отечественной и зарубежной литературе, то есть при температуре холодного спая равной  температуре окружающей среды  Тх=200С и горячего спая Тг=1200С η=6.0%. Температура фотопреобразователя практически не меняется. При использовании двадцатикратного солнечного излучения она поднялась всего 1,10С. Это по видимому можно объяснить погрешностью и измерений интенсивности света при фотометрировании и отсутствием четкой границы между спектральными длинами волн. 

Исходя из проделанных научных теоретических и конструктивных решений можно сделать вывод о том, что фототермоэлектрический преобразователь световой энергии в электрическую с фиксированной щелью является одним из оригинальных технических решений в области использования альтернативных источников электрической энергии. Она позволяет использовать ФЭП и ТЭП из полупроводника любой структуры. Конечно, использование относительно эффективных преобразователей приводит к наиболее ощутимым результатам.

 Одной из причин неэффективной работы такого прибора может быть сложности точного расположения фотоэлектрического преобразователя на оптимальном расстоянии от излучателя и отсутствии точной границы световых волн различной длины. В зонной теории полупроводников это играет существенную роль. Поэтому основной целью авторов этой работы была разработка методов расчета по определению оптимального места расположения СЭ, работающего на селективное излучение. Свет от излучателя может попадать на призму под разным углом (см. рис.2). В лабораторных эксперимента это возможно осуществить на горизонтальной плоскости. Однако необходимо учесть тот факт, что в натурных условиях это не так. В большинстве случаев излучение к призме поступает под каким-то углом (на рис.2 это отмечено α). С целью обеспечения точности оптической системы нами была разработан алгоритм математического расчета определения место расположения элементов системы. Это программа легко может быть внедрена в компьютер. Эта работа позволяет определить расстояния l,lʹ расположений призмы, фокусирующей линзы, фронтальной поверхности фотоэлектрического преобразователя h,hʹ, формы фототермогенератора и степень затенения поверхности излучателя промежуточными звеньями. Программа была реализована для лабораторных исследований.

Рис. 2. Расчетная схема оптической системы. а) Излучение поступает от источника света под углом α. б) Горизонтальное расположение источника света при котором α=0: 1,3- соответственно горячие и холодные спаи термоэлектрического преобразователя, 2-p- и n ветви термоэлемента, 4-теплопроводящая прокладка.

 

Результаты исследования

Измерения проводились на образцах имеющих гетеро структур и гомогенных переходов. Поэтому их к.п.д. соответственно составлял при комнатных температур соответственно 23% и 17%. Эти значения соответствовали не избирательному излучению. С целью увеличения интенсивности света была использована параболический зеркальный концентратор. Он имел диаметр 98см и в период измерения образцы размещались на определенном расстоянии от фокуса. Поскольку в фокусе ожидалась очень высокая температура, с целью предосторожности от расплавления пайки и разрушения преобразователей было выбрано оптимальное удаленное расстояние от фокуса путем фотометрирования светового пятна.

Результаты экспериментальных исследований показали, что селективный фото термоэлектрический преобразователь действительно является высокоэффективным по сравнению с фотоэлектрическим преобразователем работающих при равных условиях. Кроме того, он превосходит по энергетическим показателям такого же комбинированного преобразователя энергии [1, 2]. 

Полученные температурные зависимости выходных параметров солнечных элементов дают интригующие результаты, то есть температура исследуемого образца (тогда как горячие спаи термоэлектрогенератора достигала вплоть до 96оС) превышала всего на 4,7оС. Это позволяла поддерживать постоянным значений выходных эксплуатационных параметров в широком интервале температур и интенсивностей света. Это можно объяснить отсутствием нефотоактивных световых лучей среди светового потока, поступающего на фронтальную поверхности фотопреобразователей, которые могли бы превращаться в тепло в объеме элементов. Зависимость температуры горячих спаев термоэлектрических преобразователей имеет традиционный характер. То есть растет с ростом интенсивности света и, следовательно температуры.

Исследования так же показали, что при использовании конструкций с расположением по третьему варианту рисунка 1, возможно получить наиболее эффективного селективного преобразователя энергии, так как в большинстве случаев световой поток поступает на поверхность в форме светового пятна (почти круглая!). Однако щели, образованные при монтаже термоэлектрических ветвей прямоугольной формы вокруг круглого солнечного элемента, в результате попадания светового излучения могут дополнительно подвергаться нагреву. Это явление создает паразитного эффекта, связанного снижением разности между температур холодными и горячими спаями. Единственным выходом из этого положения может быть использование общего световоспринимающего материала на горячих спаев термогенератора из хорошо теплопроводящих веществ. Применение других форм монтажа преобразователей несколько искажает освещение поверхности СЭ избранным фото активным излучением.

По результатам расчетно-теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы. Наиболее эффективным и экономически выгодным является использование фототермогенераторов селективного излучения. Эта конструкция не требует дополнительных сложных технологических изменений. За счет изменения направления нефотоактивного излучения позволяет поддерживать при пониженной температуре фотоэлектрических преобразователей и способствуют устранению отрицательной зависимости электрофизических параметров полупроводникового преобразователя. Дополнительный вклад в общий к.п.д. несет термоэлектрический преобразователь. Снижение температуры холодных спаев термопреобразователя приводит к дополнительному росту эффективности прибора.  С целью достижения минимальных энергетических потерь следует определить спектральную чувствительность каждого солнечного элемента и определить место распределения избранного излучения на световом пятне.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • Kasimakhunova, A., Olimov, S., Nurdinova, R., Iqbal, T., & Mamadaliyeva, L. (2018). Highly Efficient Conversion of Solar Energy by the Photoelectric Converter and a Thermoelectric Converter. Journal of Applied Mathematics and Physics, 6(1-10).

  • Касимахунова, А. (2003). Фототермоэлектрические преобразователи и их применение. Монография. Фергана.

  • Касимахунова, А., & Мамадалиева, Л. (2019). Перспективы использования много-целевых фототермогенераторов. Монография. Ташкент.

  • Moss, T., & Hawkins, T. (1958). Low-Level Absorption in Germanium. Phys. Rev. Letl, 1(129).

  • Кийко, В. (2015). Микроструктура порошков оксида бериллия в процессе технологического передела. Новые огнеупоры, 1(12), 34-41. doi:10.17073/1683-4518-2015-12-34-41

  • Кийко, В., Павлов, А., & Быков, В. (2018). Получение и теплофизические свойства ВеО-керамики с добавками нанокристаллического диоксида титана. Новые огнеупоры, 11, 57-63. doi:10.17073/1683-4518-2018-11-57-63


NEW DESIGN OF THE SELECTIVE PHOTOTHERMOGENERATOR WITH A FIXED SLIT

MAMADALIEVA L.,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department “I and IT”
Ferghana Polytechnic Institute
REPUBLIC OF UZBEKISTAN

Abstract.
This article shows the possibility of optimal distribution of the light spectrum on the front surfaces of a solar cell and a thermoelectric converter. Based on the results of experimental studies, it was concluded that the photoconverter has a threefold increase in the efficiency of the photoconverter compared to analogs that operate without a thermoconverter.

Keywords: photoconverter, thermoconverter, selective radiation, efficiency, design.
НОВИЙ ДИЗАЙН СЕЛЕКТИВНОГО ФОТОТЕРМОГЕНЕРАТОРУ З ФІКСОВАНОЮ ЩІЛИНОЮ

МАМАДАЛІЄВА Л.К.,
кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри «Я та ІТ»
Ферганський політехнічний інститут
РЕСПУБЛІКА УЗБЕКИСТАН

Анотація.
У цій статті показана можливість оптимального розподілу спектра світла на передніх поверхнях сонячної батареї та термоелектричного перетворювача. На підставі результатів експериментальних досліджень було зроблено висновок, що фотоконвертер втричі збільшує ефективність фотоконвертора порівняно з аналогами, які працюють без термоконвертора.


Ключові слова: фотоконвертер, термоконвертор, вибіркове випромінювання, ефективність, дизайн.

© Мамадалієва Л.К., 2020

© Mamadalieva L., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 17.05.2020