Порівняйте ціни та відгуки про постачальників сонячної енергії поблизу вас онлайн. Гібридна фотоелектрична система

Гібридна фотоелектрична система високої концентрації, призначена для різних погодних умов

У цьому дослідженні ми пропонуємо новий фотоелектричний елемент високої концентрації (HCPV), розглядаючи як характеристики витоку світла модулів сонячних елементів на основі лінз Френеля, так і проблеми продуктивності, що виникають при практичному використанні через затінення хмарами. Ми використовуємо наші саморобні системи для проведення польових вимірювань протягом півроку в різних умовах навколишнього середовища. Згідно з отриманими результатами, було дивно дізнатися, що в області, відмінній від області фокусування, так званої області витоку світла, завжди спостерігається освітленість близько 20 000-40 000 лк, незалежно від того, чи це сонячний день, чи похмурий день з різними умовами хмарності. Такий цікавий результат викликаний розсіюванням світла хмарами і властивим витоком, характерним для лінзи Френеля. Щоб довести цей важливий висновок, ми змоделювали освітленість структури лінзи Френеля, що використовується у вимірюванні, з апертурами різного розміру для визначення виявленої площі. У лабораторії дифузні пластини використовувалися для імітації ситуації з різною товщиною хмарного шару. Тенденція розрахункових і виміряних результатів добре узгоджується з польовими вимірюваннями. Крім того, результати експерименту і моделювання показують, що круглий кут і фаза витяжки лінзи Френеля відповідальні за витік світла. Цей висновок спонукав нас запропонувати гібридний сонячний модуль високої концентрації, в якому більш економічно ефективні сонячні елементи з полікристалічного кремнію розміщені навколо високоефективної пластини HCPV для уловлювання витоку розсіяного світла і перетворення його в корисну електроенергію.

Вступ

Серед 17 взаємопов’язаних глобальних цілей сталого розвитку (ЦСР), встановлених Генеральною Асамблеєю ООН в 2015 році, доступна і чиста енергія є важливим показником кращого, більш сталого майбутнього для всіх. Тому для отримання чистої та сталої енергії дослідники використовують різні природні ресурси для отримання так званої зеленої енергії, включаючи енергію вітру, геотермальну енергію, гідроенергію, енергію припливів і відпливів, сонячну енергію тощо. Серед них сонячна фотоелектрика менш обмежена рельєфом місцевості або розташуванням і є джерелом енергії, яке можна отримати майже в будь-якій точці світу 1. Тому ефективне перетворення світлової енергії сонця в електричну енергію, яку можна легко використовувати, завжди було кінцевою метою розвитку людського життя. Панелі сонячних елементів, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, визнані найекономічнішим з вироблених пристроїв для генерації сонячної енергії. За останні кілька десятиліть цей пристрій став широко використовуватися для отримання електроенергії з сонячних променів. Їх можна зустріти на дахах громадських будівель та приватних будинків по всьому світу. Як правило, матеріали, що використовуються в напівпровідникових сонячних панелях. це полікристалічний кремній або складні напівпровідники III-V і II-VI класів, а їх ефективність фотоперетворення становить 15% і 45% відповідно 2,3,4. Що стосується ціни продукту, то вартість сонячних панелей, виготовлених з III-V або II-VI складних напівпровідників, набагато вища, ніж у полікремнієвих сонячних панелей. Однак, з міркувань ефективності, для сонячних панелей на сонячних електростанціях все ще використовують напівпровідники III-V або II-VI класів. Вони використовуються в супутніх системах стеження за сонцем для підвищення ефективності виробництва електроенергії 5. Таким чином, ми можемо сконфігурувати оптичну лінзу над складною сонячною панеллю на основі напівпровідників, щоб ефективно сфокусувати майже паралельно падаюче сонячне світло на обмежену площу таких дорогих сонячних елементів 6,7. Модулі сонячних елементів з такою конфігурацією називаються фотоелектричними модулями високої концентрації (HCPV) 8,9. Це означає, що завдяки проектуванню та використанню оптичних елементів більша частина сонячної енергії може бути зібрана на сонячній пластині невеликого розміру. Таким чином, можна не тільки повністю використовувати високоефективні складні напівпровідникові матеріали для живлення сонячних елементів, але й значно знизити вартість за рахунок зменшення кількості використовуваних матеріалів.

У системах HCPV напрямок сонячного світла на лінзу тісно пов’язаний з кількістю сонячної енергії, яку може зібрати сонячний елемент, тому нам потрібно використовувати систему відстеження сонця, що змінюється в часі, щоб отримати найвищу ефективність перетворення. Тому структура фокусуючої лінзи також вимагає певної конструкції. На додаток до належної відстані фокусування, ми прагнемо збільшити кількість фокусуючих лінз на одиницю площі та максимально зменшити вагу самої лінзи. Звичайні фокусуючі лінзи, як правило, складні в проектуванні через прийнятну фокусну відстань та відповідний розмір лінзи, що ускладнює одночасне досягнення цих оптимальних вимог, що, в свою чергу, робить ціну системи переслідування сонця вищою. Ефективним способом вирішення цієї проблеми є використання лінзи Френеля 10. Xie and Sierra et al. досліджено застосування лінзи Френеля в умовах високої концентрації сонячної енергії 11,12. Чен і Ямада та ін. запропонували конструкцію лінзи Френеля для покращення рівномірності розподілу освітленості 13,14. але вони не розглядали питання витоку світла з лінзи Френеля та ефективності виробництва електроенергії в умовах сильної хмарності. Хоча система HCPV у поєднанні з лінзою Френеля ефективно використовує енергію сонячного світла, при зміні хмар на небі лінза Френеля не може ефективно збирати промені від сонця, що призводить до зниження ефективності виробництва електроенергії HCPV. У цій статті представлено нове відкриття витоку світла в HCPV, яке може підтримувати певний рівень освітленості при різних хмарних умовах, і пропонується гібридна система збору світла, що відповідає різним погодним умовам, а ефективність виробництва електроенергії залишається оптимальною. Нові технічні висновки будуть продемонстровані за допомогою польових вимірювань при різних умовах хмарності.

Витік світла через лінзу Френеля

Лінза Френеля є різновидом композитної компактної лінзи, а конструкція конструкції схематично показана на рис. 1a, що дозволяє конструювати лінзи з великою апертурою і короткою фокусною відстанню без маси і об’єму матеріалу, які були б потрібні для звичайної конструкції лінзи 15,16,17. Тому лінзу Френеля можна зробити набагато тоншою, ніж звичайну лінзу. Лінзи Френеля призначені для значного зменшення ваги лінзи, щоб вона могла відповідати вимогам системи стеження за сонцем. Однак, на відміну від звичайних лінз, негладка і не суцільна поверхня лінзи, розподілена на декілька сегментів, може спричинити неминучі значні витоки світла через виробничі помилки, такі як радіуси кривизни і кути витяжки виготовлених лінз Френеля, як показано на рис. 1b. Незначні зміни в цих структурах можуть призвести до того, що частина паралельно падаючого сонячного світла не зможе бути ефективно сфокусована в діапазоні збору енергії в модулі сонячних елементів через лінзу Френеля, що призведе до зниження ефективності генерації електроенергії. Ми використовували лінзу Френеля для імітаційного розрахунку за допомогою програми Advanced System Analysis Program (ASAP) 18. де радіус кривизни круглих кутів (RVRA) і кути тяги були близько 0.1 мм і 1°, відповідно. Ширина лінзи Френеля становила 129 мм, а товщина. 1.81 мм. Результати імітаційного розрахунку представлені на рис. 1c за методом трасування променів Монте-Карло 19. де загальна кількість променів для моделювання становила 10 000 000. При використанні лінзи Френеля в якості фокусуючої лінзи HCPV, хоча більшість падаючих променів можуть бути ефективно сконцентровані в області FOCUS, яка може бути еквівалентна області збору енергії, все ж частина світлової енергії розсіюється за межами області збору енергії. Розмір області фокусування в симуляції становив близько 1.1 мм × 1.1 мм, коефіцієнт потужності FOCUS становив 63%, а коефіцієнт витоку світла поза зоною фокусування. 37%.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Ще одна практична проблема, з якою стикаються при використанні сонячних модулів HCPV, полягає в тому, що небо не завжди може бути чистим і безхмарним. Таким чином, коли сонячне світло проходить через шар хмар і сонячні модулі, сонячні промені багаторазово розсіюються молекулами води всередині хмари, що призводить до зміни напрямку руху світла, що потрапляє на сонячний модуль, який був майже паралельним. Зміна напрямку руху сонячного світла пов’язана з товщиною хмар. Коли товщина хмари тонка, більша частина сонячного світла не впливає на прямий напрямок, тому сонячне світло все ще може бути сконцентроване на модулях сонячних елементів. Однак, коли товщина шару хмар збільшується до певної товщини, сонячні промені, що проходять через шар хмар, випадковим чином стикаються з молекулами води, що призводить до випадкової траєкторії розсіювання. Таким чином, сонячне світло більше не колімується, коли досягає лінзи Френеля, і тому не може бути ефективно сконцентроване на сонячному елементі за допомогою лінзи, що призводить до зменшення освітленості на сонячному елементі. У цьому випадку, якщо використовується сонячний елемент на основі напівпровідників III-V класу, HCPV майже не має ефективності перетворення енергії через малу площу збору світла.

Характеристика лінз Френеля при витоку світла

Для ефективного отримання розсіяної світлової енергії, яка обумовлена використанням лінз Френеля, і створення високоефективних модулів сонячних елементів, які можуть використовуватися в різних погодних умовах, в цій дослідницькій роботі вперше була розрахована і виміряна світлова енергія в області витоку світла лінз Френеля з різною структурою при монохроматичному світловому випромінюванні. Далі ми використовували дифузні пластини з різною швидкістю проникнення, щоб імітувати зовнішні умови з різною товщиною шару хмари, і виміряли поперечний розподіл інтенсивності світла на модулі сонячних елементів. Нарешті, підсумовуючи результати польових вимірювань на відкритому повітрі, ми пропонуємо гібридний сонячний фотоелектричний модуль високої концентрації, очікуючи, що така система зможе поєднати переваги HCPV та сонячних панелей на основі полікристалічного кремнію одночасно і досягти порівнянної ефективності перетворення енергії за різних погодних умов.

Що стосується структури лінзи Френеля, то ні фаза витяжки, ні RVRA, викликані виготовленням форми, не можуть змусити падаюче світло сходитися в одній фокальній області. Таким чином, в комірковому модулі HCPV утворюється зона витоку світла. Фасетка тяги є побічним ефектом процесу потоншення лінзи. Чим більше осадна грань, тим тонша лінза Френеля. Інша річ, яка виникає разом із гранею витяжки. це круглий кут. Круглий кут утворюється завдяки великому куту повороту в структурі лінзи Френеля. Аналогічно, структура з круглим кутом не може концентрувати сонячне світло в центральній області. У процесі виготовлення лінзи Френеля кут витяжки принаймні 1° необхідний під час процесу розформування. Круглий кут зазвичай має радіус кривизни сотні мікрон або більше. Ці фактори можуть ще більше погіршити ситуацію з концентрацією світла. Ми можемо оцінити його вплив на концентрацію світла відповідно до співвідношення площ структури осадової грані та круглого кута в структурі лінзи Френеля. Витік світла L, спричинений витяжною гранню та круглим кутом, можна виразити

де AF. площа проекції лінзи Френеля. AG. це загальна площа проекції осадової грані, а AR. це площа проекції, зайнята круглим кутом. Отже, коли лінза Френеля тоншає, кількість сегментів збільшується, тому частка витоку світла також збільшується. Для перевірки вищезазначеного твердження ми використовували дві лінзи Френеля з аналогічними площами для вимірювання світлового потоку, як показано на рис. 2. В експерименті для проведення експериментів з концентрації світла використовувався монохроматичний лазерний промінь з центральною довжиною хвилі 532 нм. Як показано на рис. 2c, лазерне світло проходить спочатку через об’єктивну лінзу, а потім через лінзу з великою апертурою для формування колімованого світлового променя. Ми використовували цей колімований промінь, щоб імітувати характеристики зовнішнього сонячного світла. Дві лінзи Френеля показані на рис. 2, відповідно, на шляху випромінювання світла. Лінза Френеля це тонша лінза з більшою кількістю сегментів, а лінза Френеля це товстіша лінза з меншою кількістю сегментів. Зрештою, в його фокальній площині був розташований детектор світла з прямокутною апертурою 10 мм × 16 мм для вимірювання світлового потоку плями фокусування. Коефіцієнти витоку світла двох лінз були виміряні 43% і 36% відповідно. Оскільки моделювання, показане на рис. 1 був для більш товстої лінзи Френеля , ми могли порівняти результат вимірювання з моделюванням, показаним на рис. 1. Витік світла при вимірюванні становив 36%, коли область фокусування була 10 мм × 16 мм. Симуляція витоку світла становила 37%, коли область фокусування була встановлена на 1.1 мм × 1.1 мм, що було значно менше, ніж при вимірюванні. Різницю в області фокусування можна пояснити наступним чином. Хоча основні важливі оптичні параметри лінзи Френеля були задані в симуляції, змодельована лінза Френеля все ще перебувала в ідеальному стані. Це означає, що не було ніякої виробничої помилки, і падаюче світло було добре колімоване. Ці два фактори були неможливими в експерименті. Таким чином, пляма фокусування в експерименті може бути розширена або розмита в бік у порівнянні з ідеальним випадком, як, наприклад, у симуляції. Однак моделювання та експериментальні вимірювання показали, що близько 36-37% витоку світла можна було спостерігати поза зоною фокусування як у моделюванні, так і в експерименті. Без сумніву, механізм витоку лінзи Френеля був добре доведений.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Інша проблема застосування HCPV пов’язана з розладом хвильового фронту, спричиненим хмарами, коли сонячне світло проходить крізь земну атмосферу. Коли світлові хвилі проходять крізь хмари значної товщини, частина світла зіштовхується з краплями води, викликає заломлення або відбиття світла, і, нарешті, формує випадкове розсіювання світла. Отже, коли світло потрапляє в лінзу Френеля, його вже не можна розглядати як паралельне світло, в той час як сконцентрований промінь не буде фокусуватися на центральній точці модуля HCPV. Для доведення цього ефекту ми використовували експериментальну конфігурацію, представлену на рис. 2, і розмістили різні дифузори між ними. 2 і розмістили різні розсіювачі між колімувальною та френелівською лінзами. Три розсіювачі мали різний одномоментний коефіцієнт пропускання, який визначається як відношення проникаючого світлового потоку до потоку падаючого на певний розсіювач 20. Ці розсіювачі дозволяють змінювати коефіцієнт проникнення колімуючого променя, що може бути використано для імітації впливу хмар на сонячне світло. Результати експерименту узагальнені на рис. 3. На рис. 3а, чітку концентровану пляму променя можна було спостерігати навколо центру виявленої області, що вказує на те, що більша частина енергії була зібрана в обмеженому місці. Такий результат може бути використаний для імітації днів з ясним небом. З рис. 3b-d, ми могли спостерігати на фотографіях, що фонові візерунки ставали все більш розмитими. При цьому інтенсивність в центральній області зменшувалася, а освітленість навколишньої області все більше і більше наближалася до інтенсивності в центральній області. Лінзи Френеля (синя) і (червона) демонструють подібні властивості.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Джерело світла, яке використовувалося в лабораторії, було отримано з зеленого лазерного діода, і воно не відповідало практичним умовам. Щоб зрозуміти оптичний ефект, на який впливає структура лінзи Френеля, нам потрібно було порівняти освітленість при сонячному освітленні та при відповідному моделюванні. Тому ми виміряли освітленість сфокусованого сонячного світла за допомогою лінзи Френеля. Для вимірювань ми вибрали лінзу Френеля і використовували фотодетектор (Thorlabs PM16-12), який можна використовувати при потужному освітленні для вимірювання потужності фокусної точки. Оскільки вимірювання проводилося під рухомим сонячним світлом, а пляма фокусування не була ідеальною крихітною плямою, освітленість залежала від розміру апертури фотоприймача. Результатом стало те, що точне вимірювання фокусування сонячного світла стало важким. Крім того, ми змінювали апертуру фотоприймача, щоб зібрати більше даних і спробували знайти кореляцію між освітленістю та розміром апертури. Результати вимірювань показано на рис. 4, де по вертикальній осі відкладено співвідношення освітленості в точці FOCUS і на землі без фокусуючої лінзи. Існує три криві моделювання. Чорна крива. це розрахований коефіцієнт сфокусованої освітленості для звичайного об’єктива з тим самим f-числом. Синя і рожева криві отримані за допомогою лінз Френеля з RVRA 0.2 мм і 0.5 мм, відповідно. Невелика різниця між трьома кривими викликана геометричною структурою лінзи Френеля. Ситуація вимірювання була іншою. Рухоме сонячне світло ускладнило вимірювання освітленості через крихітну діафрагму. Тому ми вирішили змінити розмір та форму апертури (включаючи коло та квадрат). Вимірювання показано на рис. 4, де результат вимірювання показує подібну тенденцію співвідношення в залежності від площі діафрагми. Таким чином, моделювання лінзи Френеля допомогло передбачити оптичні властивості сонячного світла.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Вимірювання та аналіз поля

Щоб зрозуміти ефективність концентрації та характеристики витоку світла модуля HCPV в реальних погодних умовах, ми все ще вибрали лінзу Френеля для всіх наступних експериментів з вимірювання поля. Ми встановили масив лінз Френеля 2 × 2 на коробці з двома розмірами обертання. Масив лінз Френеля можна в будь-який момент вручну відрегулювати так, щоб вони були спрямовані прямо на сонце. Під час вимірювання виникали різні погодні умови, оскільки товщина хмарного шару змінювалася. Тому в нижній частині вікна ми можемо спостерігати, що яскравість області витоку світла буде змінюватися залежно від зміни товщини хмари. Освітленість цієї області була фізичною величиною, яку потрібно було виміряти в цьому експерименті.

Протягом піврічного процесу вимірювання ми можемо приблизно розділити погодні умови на три ситуації відповідно до товщини хмар. Перша. чисте небо, тобто немає хмар, коли дивишся на небо, а освітленість землі перевищує 100 000 лк. Другий. злегка хмарне небо, тобто товщина хмарного шару тонка, і сонце все ще можна нечітко бачити крізь шар хмар. У малохмарні дні частина світла все ще паралельна, тому точку FOCUS все ще можна чітко спостерігати. Однак інтенсивність світла у фокусній точці значно зменшилася порівняно з чистим небом. Третій. важке хмарне небо, тобто шар хмар товстіший, а яскравість усього неба більш рівномірна. У таку погоду потрібно попрацювати, щоб знати правильне положення сонця. Тобто, після того, як хмари розсіюють сонячне світло, його хвильовий фронт розподіляється нерівномірно. В цей час у нижній частині вікна не видно жодної точки FOCUS. Після більш ніж шести місяців вимірювань ми виміряли освітленість землі та витік світла за різних погодних умов. Результати вимірювань та співвідношення між двома фізичними величинами наведені на рис. 5. На рисунку 5a-c показані значення освітленості землі (світло-блакитні смуги) та освітленості витоку (темно-сині смуги) для ясного неба, злегка хмарного та сильно хмарного днів відповідно. Червоні криві на рисунку фіксують коефіцієнти використання інтенсивності світла в зоні витоку світла при ясному небі, легкій хмарності та сильної хмарності, які становили близько 40%, 65% та 80% відповідно. Результати експерименту показують, що відсоток витоку світла під лінзою Френеля був вищим, коли шар хмар був товщим. Значення освітленості землі зменшувалося зі збільшенням товщини хмарності, а це означає, що енергія, сконцентрована лінзою Френеля в точці FOCUS, також зменшувалася.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

З наведених вище експериментальних результатів важливо і цікаво виявити, що значення освітленості області витоку світла не показують значних змін навіть при різній товщині хмари. Це пояснюється тим, що відсоток витоку світла нижчий, коли освітленість землі вища. Значення освітленості землі зменшується при збільшенні товщини хмари, але відсоток витоку світла зростає. Таким чином, ми бачимо, що освітленість зони витоку буде близькою до постійної величини незалежно від погодних умов. Витік світла HCPV спричинений двома оптичними явищами, включаючи розсіювання сонячного світла хмарами та витік світла, спричинений структурою лінзи Френеля. Цей вид витоку світла повинен бути адекватно використаний. Перша ідея полягає в тому, щоб змінити базову пластину звичайного HCPV з металевого тепловідводу на прозоре середовище, щоб світло ззовні центру могло досягати землі. Такий розподіл сонячного світла між 20 000 і 40 000 лк повинен підтримувати ріст деяких рослин на землі. Тому сільськогосподарську діяльність із середнім рівнем освітлення можна здійснювати, перейшовши на прозорі плінтуси. Крім того, з точки зору виробництва електроенергії, ми також можемо використовувати недорогі сонячні панелі для укладання в зоні витоку для виробництва електроенергії, тому ми розробили установку для виробництва електроенергії, яка поєднує переваги як HCPV, так і полікристалічних сонячних панелей.

Гібридний фотоелектричний пристрій

Розроблено та запропоновано гібридну фотоелектричну систему високої концентрації шляхом розміщення високоефективної III-V сонячної панелі в точці FOCUS та укладання навколо неї сонячної панелі на основі полікристалічного кремнію, як схематично показано на рис. 6a. На схематичній діаграмі на рис. 6a, паралельний промінь від сонця проходить через лінзу Френеля і фокусується на високоефективній сонячній панелі. Витік світла зі структури лінзи Френеля та розсіяне світло від сонячного світла, що проходить крізь хмари, може бути спрямоване на сонячну панель на основі полікристалічного кремнію (PSSP) для вироблення електроенергії. Коли небо чисте, світло концентрується на високоефективному сонячному елементі, тому ефективність виробництва електроенергії висока. У важкій хмарі сонячне світло не може бути сконцентроване на високоефективному сонячному елементі, тому звичайний HCPV не може ефективно виробляти електроенергію, але ця конструкція все ще може виробляти електроенергію за допомогою полікристалічних сонячних панелей.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Щоб оцінити ефективність виробництва електроенергії запропонованої нами гібридної висококонцентрованої фотоелектричної системи за різних погодних умов, ми порівняли потужність виробництва електроенергії традиційної висококонцентрованої фотоелектричної системи (HCPV) та гібридної HCPV-системи виробництва електроенергії. По-перше, ми припускаємо, що площа лінзи Френеля становить близько 163.8 см 2. в той час як площа III-V сонячної панелі дорівнює 0.75 см 2, тому площа сонячної панелі з полікристалічного кремнію становить 163.05 см 2. Оскільки ефективність перетворення фотонів становить 15% і 45% для ФЕП і напівпровідників III-V, ми припускаємо, що ефективність перетворення становить α і 3α для ФЕП і сонячної панелі III-V, відповідно. Виходячи з цього припущення, ми розрахуємо виробництво електроенергії для різних сонячних елементів при різних умовах хмарності.

Перший. це сценарій ясного неба, про який йдеться в умовах, показаних на рис. 5a. Для простоти ми припускаємо, що освітленість землі становить 100 000 лк. Таким чином, можна розрахувати вироблення електроенергії ФЕС за ясного неба

Вимірювання, показане на рис. 5a показує, що витік світла під лінзою Френеля становить 40% від освітленості землі без лінзи Френеля. Ми припускаємо, що оптичний потік в зоні фокусування HCPV. це залишкова потужність, що передається через лінзу Френеля, де є додаткові 10% втрат Френеля. Генерація потужності HCPV (PHCPV) та гібридної ФЕП (Pгібридної) можна відповідно записати

Рівняння (3) і (4) показують, що гібридна HCPV може зарезервувати 40% витоку потужності під сонячним світлом в ясному небі, і, нарешті, досягає приблизно вдвічі більшої генерації енергії, ніж PSSP, як показано на синіх смугах на рис. 6b.

Далі ми розглянемо випадок важкої хмарності, що відповідає умовам рис. 5c. Тут ми припускаємо, що освітленість на землі становить 20% від освітленості при ясному небі, тобто.e., 20 000 лк або 0.2PPSSP. Таким чином, генерація електроенергії PSSP становить близько 0.2 PPSSP. З рис. 5в, витік світла з лінзи Френеля встановлено на рівні 80%, тому генерація потужності в області витоку світла становить близько 0.16 PPSSP. В таких умовах на затягнутому III-V сонячному елементі немає помітної плями фокусування, як показано на рис. 3d, тому генерацію електроенергії HCPV можна розраховувати в районі PPSSP/400. Це означає, що HCPV страждає від важкої хмари в небі і не функціонує за таких умов. Однак, гібридна ФЕС все ще може зберігати 80% сонячного світла через витік світла, а загальне виробництво електроенергії становить близько 0.16 PPSSP, як показано сірими смугами на рис. 6b. В результаті, гібридна HCPV працює краще, ніж HCPV в ясному небі і як PSSP в небі з великою хмарністю.

Порівняння коефіцієнта генерації електроенергії різних сонячних фотоелектричних пристроїв підсумовано, як показано на рис. 6b. Результати розрахунків показують, що гібридна ФЕС генерує більше електроенергії, ніж звичайна ФЕС у всіх сценаріях, збираючи світло, що витікає з лінзи Френеля, а генерація електроенергії близька до генерації ФЕС у важкі хмарні дні, коли звичайна ФЕС втрачає свою функцію. Запропонована гібридна ФЕС є новою конструкцією, яка може підвищити ефективність виробництва електроенергії та адаптуватися до різних умов хмарності.

Висновок

У цій статті ми почали з теоретичних і практичних досліджень лінзи Френеля і проаналізували властиву їй характеристику витоку світла при використанні лінзи Френеля в якості фокусуючої лінзи. Ми зазначили, що витік світла також спричинений розсіюванням у хмарах, що є неминучим фактором для HCPV. Потім було проведено серію експериментів з відповідними розрахунками для доведення механізму витоку світла, в тому числі з лінзи Френеля та хмар. Відповідні вимірювання поля з використанням лінзи Френеля для фокусування сонячного світла проводилися протягом шести місяців для різних умов хмарності.

Згідно з отриманими результатами, найціннішим висновком було те, що сонячний концентратор на основі лінзи Френеля має освітленість близько 20 000-40 000 лк в області витоку світла, незалежно від того, чи це сонячний день, чи похмурий день з різною товщиною хмарності. Це є невід’ємною характеристикою HCPV на основі лінзи Френеля та національних характеристик сонячного світла. Така властивість може бути корисною для сонячних електростанцій з сільськогосподарськими перевагами.

Цей висновок спонукав нас запропонувати гібридний сонячний модуль високої концентрації, в якому більш економічно ефективні PSSP розміщені навколо високоефективної пластини HCPV для захоплення розсіяного витоку світла і перетворення його в корисну електроенергію. Така система може демонструвати надзвичайно високу ефективність перетворення за різних умов хмарності. Припускаючи, що ефективність перетворення становить 15% і 45% для PSSP і III-V напівпровідників, відповідно, запропонована гібридна система може досягти 190% і 126% ефективності виробництва електроенергії в порівнянні з системами PSSP і HCPV, відповідно, в ясному небі. Коли є сильні хмари, система HCPV майже не має ефективності виробництва електроенергії, в той час як запропонована гібридна система може підтримувати більше 80% ефективності виробництва електроенергії системи PSSP. Таким чином, запропонована нова сонячна енергетична система є корисною для досягнення оптимальної генерації сонячної енергії в умовах різної хмарності неба.

Доступність даних

Всі набори даних з цього дослідження доступні у відповідного автора за обґрунтованим запитом.

Подяки

Інформація про автора

Автори та афіліації

  • Кафедра фотоніки, Коледж електротехніки та комп’ютерної інженерії, Національний університет Ян Мін Чіао Тунг, Хсінчу, 30010, Тайвань Чі Сун Цун Шен Као
  • Кафедра оптики та фотоніки, Національний центральний університет, Jhongli, Taoyuan, 32001, Тайвань Чі-Шоу Ву, Юн-Шен Лін, Шуо-Тін Фан, Яо-Суан Чіу Чінг-Ченг Сун
  • Кафедра електрофізики, Національний університет Ян Мін Чіао Тунг, м. Сінчу, 30010, Тайвань Чін-Ченг Сунь

Порівняння: Мережеві, автономні та гібридні сонячні системи

Існує три типи систем сонячних панелей: мережеві (on-grid), автономні (off-grid) та гібридні сонячні системи.

Кожен тип системи має унікальне налаштування, яке впливає на те, яке обладнання використовується, складність монтажу і, що найважливіше, на ваші потенційні витрати та заощадження.

Що буде найкращим у вашій ситуації? Давайте детальніше розглянемо переваги та недоліки мережевих, автономних та гібридних сонячних систем.

Розрахувати вартість встановлення сонячних панелей на ваш будинок

Мережеві сонячні системи

Приєднана до мережі, мережева, інтерактивна, взаємодія з мережею та зворотне живлення від мережі. це терміни, що використовуються для опису однієї і тієї ж концепції. сонячної системи, яка підключена до загальної електромережі.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Електроенергія постійного струму, вироблена сонячними панелями, надходить до інвертора, який перетворює її в електроенергію змінного струму. Ця електроенергія спочатку використовується для обслуговування домашніх навантажень, а весь надлишок енергії експортується в мережу в обмін на кредити на оплату рахунків за електроенергію.

Переваги мережевих систем

Підключення до електромережі дозволить вам заощадити більше грошей за допомогою сонячних панелей завдяки чистому обліку, меншим витратам на обладнання та установку, а також кращим показникам ефективності.

Заощаджуйте більше грошей за допомогою мережевого обліку

Ваші сонячні панелі часто будуть генерувати більше електроенергії, ніж ви здатні спожити. За допомогою мережевого обліку власники будинків можуть віддавати надлишкову електроенергію в мережу замість того, щоб зберігати її в акумуляторах.

Багато комунальних компаній зобов’язуються купувати електроенергію у домовласників за тією ж ціною, за якою вони продають її самі. Як власник будинку, ви можете використовувати ці платежі від вашої комунальної служби, щоб скасувати свої витрати на використання електроенергії. на 100% до 100%.

Чистий облік відіграє важливу роль у стимулюванні сонячної енергетики. Без цього домашні сонячні системи були б набагато менш доцільними з фінансової точки зору.

Нижчі початкові витрати та простота встановлення

Мережеві сонячні системи. це єдиний тип сонячних систем, які не потребують акумуляторів для роботи. Це робить мережеві системи дешевшими та простішими в установці, а також означає меншу потребу в обслуговуванні.

Ви можете використовувати електромережу як віртуальну батарею

Електрична мережа багато в чому також є акумулятором, який не потребує технічного обслуговування або заміни, і має набагато кращі показники ефективності.

Згідно з даними EIA, національні щорічні втрати при передачі та розподілі електроенергії в середньому становлять близько 7% електроенергії, яка передається в Сполучених Штатах. Свинцево-кислотні акумулятори, які зазвичай використовуються з сонячними панелями, зберігають енергію лише на 80-90%, і з часом їх ефективність погіршується. Іншими словами, більше електроенергії (і більше грошей) витрачається даремно зі звичайними акумуляторними системами.

Додаткові переваги підключення до мережі включають доступ до резервного живлення від електромережі на випадок, якщо ваша сонячна система перестане виробляти електроенергію з тієї чи іншої причини. У той же час, ви допомагаєте пом’якшити пікове навантаження на енергопостачальну компанію. Як результат, ефективність нашої електричної системи в цілому підвищується.

Обладнання для мережевих сонячних систем

Існує кілька ключових відмінностей між обладнанням, необхідним для мережевих, автономних та гібридних сонячних систем. Стандартні мережеві сонячні системи складаються з наступних компонентів:

Мережевий інвертор (GTI)

В чому полягає робота сонячного інвертора? Вони регулюють напругу та струм, отримані від ваших сонячних панелей. Постійний струм (DC) від ваших сонячних панелей перетворюється на змінний струм (AC), який використовується більшістю електричних приладів.

Крім того, мережеві інвертори, також відомі як мережеві інтерактивні або синхронні інвертори, синхронізують фазу і частоту струму відповідно до електромережі (номінально 60 Гц). Вихідна напруга також налаштовується трохи вище, ніж напруга в мережі, щоб надлишок електроенергії надходив у мережу.

Мікроінвертори

Мікроінвертори знаходяться на задній стороні кожної сонячної панелі, на відміну від одного центрального інвертора, який зазвичай відповідає за всю сонячну батарею.

Мікроінвертори, безумовно, дорожчі, але в багатьох випадках дають вищий коефіцієнт корисної дії. Мікроінвертори особливо корисні, якщо у вас є проблеми із затіненням даху.

Вимірювач потужності

Більшості домовласників потрібно буде замінити свій поточний лічильник електроенергії на той, який сумісний з мережевим обліком. Цей пристрій, який часто називають мережевим лічильником або двостороннім лічильником, здатний вимірювати потужність в обох напрямках, від мережі до вашого будинку і навпаки.

Вам слід проконсультуватися з місцевою енергопостачальною компанією та дізнатися, які варіанти обліку електроенергії у вас є. У деяких місцях комунальна компанія видає лічильник електроенергії безкоштовно і платить повну ціну за вироблену вами електроенергію; однак, це не завжди так.

Подивіться, скільки може заощадити автономна сонячна система щорічно

Автономні сонячні системи

Автономна сонячна система (поза мережею, автономна) є очевидною альтернативою мережевій системі.

Для власників будинків, які мають доступ до електромережі, автономні сонячні системи, як правило, не розглядаються. Ось чому. Щоб забезпечити постійний доступ до електроенергії, автономні сонячні системи потребують акумуляторних батарей великої ємності та резервного генератора. Крім того, акумуляторні батареї, як правило, потребують заміни через 10 років. Батареї складні, дорогі та знижують загальну ефективність системи.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Автономні системи вимагають великої кількості накопичувачів енергії, оскільки немає можливості імпортувати енергію з електромережі. Як правило, вони використовують свинцево-кислотні акумулятори, які є набагато дешевшою альтернативою новим (і більш ефективним) сонячним батареям на основі літію.

Може бути встановлений там, де немає доступу до електромережі

Автономні сонячні системи можуть бути дешевшими, ніж прокладання ліній електропередач у певних віддалених районах.

Подумайте про автономне живлення, якщо ви знаходитесь на відстані більше 100 метрів від електромережі. Вартість повітряних ліній електропередач коливається від 174 000 за милю (для сільського будівництва) до 11 000 000 за милю (для міського будівництва).

Станьте енергетично самодостатніми

Жити поза мережею та бути самодостатнім. це добре. Для деяких людей це відчуття коштує більше, ніж економія грошей.

Енергетична самодостатність. це також форма безпеки. Перебої в електромережі не впливають на автономні сонячні системи.

З іншого боку, акумулятори можуть зберігати лише певну кількість енергії, і в похмурий час підключення до електромережі насправді є безпечним. Ви повинні встановити резервний генератор, щоб бути готовим до таких ситуацій.

Обладнання для автономних сонячних систем

Типові автономні сонячні системи потребують наступних додаткових компонентів:

  • Контролер сонячного заряду
  • Акумуляторна батарея
  • Роз’єднувач постійного струму (додатковий)
  • Автономний інвертор
  • Резервний генератор (опція)

Контролер заряду сонячної батареї

Контролери заряду сонячних батарей також відомі як регулятори заряду, або просто регулятори заряду акумуляторів. Останній термін, мабуть, найкраще описує те, що насправді робить цей пристрій: зарядні пристрої для сонячних батарей обмежують швидкість струму, що подається на акумуляторну батарею, і захищають батареї від перезарядки.

Хороші контролери заряду мають вирішальне значення для підтримання акумуляторів у здоровому стані, що забезпечує максимальний термін служби акумуляторної батареї. Якщо у вас акумуляторний інвертор, швидше за все, контролер заряду вбудований в нього.

Акумуляторна батарея

Без акумуляторної батареї (або генератора) світло буде вимкнено до заходу сонця. Акумуляторна батарея. це, по суті, група акумуляторів, з’єднаних між собою дротами.

Вимикач постійного струму

Захисні вимикачі змінного та постійного струму необхідні для всіх сонячних систем.

Для автономних сонячних систем встановлюється один додатковий роз’єднувач постійного струму між акумуляторною батареєю та автономним інвертором. Використовується для відключення струму, що протікає між цими компонентами. Це важливо для обслуговування, усунення несправностей і захисту від електричних пожеж.

Автономний інвертор

Інвертор не потрібен, якщо ви встановлюєте сонячні панелі для човна, автофургона або чогось іншого, що працює на постійному струмі. Вам знадобиться інвертор для перетворення постійного струму в змінний для всіх інших електроприладів.

Автономні інвертори не повинні збігатися за фазою з синусоїдою електромережі, на відміну від інверторів, що підключаються до електромережі. Електричний струм протікає від сонячних панелей через контролер заряду і акумуляторну батарею, перш ніж він буде остаточно перетворений в змінний струм автономним інвертором.

Резервний генератор

Потрібно багато грошей і великі акумулятори, щоб підготуватися до кількох днів поспіль без сонця (або доступу до мережі). Тут вступають в дію резервні генератори.

У більшості випадків встановлення резервного генератора, що працює на дизельному паливі, є кращим вибором, ніж інвестування у великий акумулятор, який рідко працює на повну потужність. Генератори можуть працювати на пропані, нафті, бензині та багатьох інших видах палива.

Резервні генератори зазвичай виробляють змінний струм, який може бути направлений через інвертор для безпосереднього використання, або може бути перетворений на постійний струм для зберігання в акумуляторі.

Гібридні сонячні системи

Гібридні сонячні системи поєднують в собі найкраще від мережевих та автономних сонячних систем. Ці системи можна описати як автономні сонячні системи з резервним живленням від електромережі або як прив’язані до мережі сонячні системи з додатковим акумуляторним накопичувачем.

Якщо у вас є мережева сонячна система і ви користуєтеся автомобілем, який працює на електриці, у вас вже є гібридна система. Електромобіль. це насправді просто акумулятор з колесами.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

У гібридній сонячній системі енергія, вироблена сонячними панелями, спочатку використовується для обслуговування електричних навантажень будинку (потік ). Після того, як енергетичні потреби будинку забезпечені, сонячна енергія використовується для заряджання сонячної батареї (потік #2). Якщо залишиться надлишок сонячної енергії, її експортуватимуть в електромережу в обмін на кредити (потік ). Система, зображена вище, показує літієву батарею, підключену до змінного струму, але гібридні системи також можуть бути спроектовані з використанням літієвих або свинцево-кислотних акумуляторів постійного струму.

Менш дорогі, ніж автономні сонячні системи

Гібридні сонячні системи дешевші, ніж автономні сонячні системи. Вам не потрібен резервний генератор, а ємність акумуляторної батареї можна зменшити.

Якщо ваша батарея розряджається вночі, ви можете просто купити електроенергію в режимі off-peak у енергопостачальної компанії. Це буде набагато дешевше, ніж експлуатація генератора.

Розумна сонячна енергетика має багато перспектив

Впровадження гібридних сонячних систем відкрило багато цікавих інновацій. Нові інвертори дозволяють власникам будинків скористатися змінами в тарифах на електроенергію протягом дня.

Сонячні панелі виробляють найбільше електроенергії опівдні. незадовго до піку цін на електроенергію. Ваш будинок та електромобіль можна запрограмувати на споживання енергії в непікові години (або від ваших сонячних панелей).

Отже, ви можете тимчасово зберігати надлишкову електроенергію, яку генерують ваші сонячні панелі, в акумуляторах, і віддавати її в мережу, коли вам платять найбільше за кожну кВт-год.

Розумна сонячна енергія має великі перспективи. Ця концепція буде набувати все більшого значення в міру нашого переходу до “розумної” мережі в найближчі роки.

Обладнання для гібридних сонячних систем

Типові гібридні сонячні системи базуються на наступних додаткових компонентах:

  • Контролер заряду
  • Акумуляторна батарея
  • Роз’єднувач постійного струму (додатково)
  • Мережевий інвертор на основі акумулятора
  • Лічильник електроенергії

Мережевий інвертор на основі акумулятора

У гібридних сонячних системах використовуються мережеві інвертори на основі акумуляторних батарей, які також відомі як гібридні інвертори. Ці пристрої можуть отримувати електричну енергію від акумуляторних батарей, а також синхронізуватися з електромережею.

Останні думки про мережеві сонячні системи

Суть в наступному: Зараз для переважної більшості домовласників підключення до електромережі для отримання електроенергії та зберігання енергії значно дешевше і практичніше, ніж використання акумуляторних батарей та/або резервних генераторів.

Гібридні сонячні енергетичні системи

Що таке гібридна сонячна енергетична система і чи може вона бути правильним варіантом для вас?

Більшість домовласників, які обирають сонячну енергію, встановлюють мережеві фотоелектричні панелі. Другий варіант, хоча і менш поширений, передбачає автономне живлення від мережі за допомогою акумуляторної батареї. Хоча ви можете цього не знати, у вас є третій варіант, який поєднує в собі найкращі аспекти мережевої та автономної сонячної енергетики.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Як працює гібридна сонячна система?

Гібридна сонячна енергетична система дає вам найкраще з мережевого та автономного світів.

Цей тип фотоелектричних систем підключається до електромережі так само, як і стандартна мережева система, тому ви завжди матимете електроенергію вночі та в похмурі дні.

Але традиційна мережева фотоелектрична система перестане працювати, якщо електромережа вийде з ладу. При відключенні електроенергії фотоелектрична система запрограмована на автоматичне вимкнення з міркувань безпеки. Це дозволяє комунальникам безпечно проводити ремонтні роботи без електроенергії в лініях.

Гібридні системи вирішують цю проблему завдяки додаванню сонячних батарей, а в деяких випадках і резервного генератора.

Чому варто розглянути гібридну фотоелектричну систему?

Кількість відключень електроенергії зростає, і Міжгірський Захід може постраждати в будь-який момент. Якщо в електромережі виникнуть серйозні проблеми, ви можете залишитися в темряві на кілька днів. або довше.

Встановлення гібридної сонячної електростанції. це чудовий спосіб підготуватися до будь-якої несподіванки. Якщо у вашому районі трапиться сильний шторм або стихійне лихо, ви не залишитеся без електрики. на відміну від більшості ваших сусідів.

Який тип гібридної сонячної електростанції найкращий?

Гібридні системи не є універсальними. Вони бувають різних розмірів і конфігурацій, щоб задовольнити ваші конкретні потреби в енергії для дому.

Менші, дешевші системи можуть забезпечити ваш будинок електроенергією під час коротких відключень електроенергії. При тривалих відключеннях електроенергії невеликі гібридні системи забезпечать достатню кількість електроенергії на день або два, якщо ви обмежите споживання до роботи лише найбільш важливих приладів.

Якщо ви хочете бути впевненими, що весь ваш будинок буде забезпечений електроенергією незалежно від того, як довго триватиме відключення, вам знадобиться більше сонячних панелей і більший банк акумуляторів.

Найкращий тип гібридної системи. це та, яка розроблена відповідно до ваших потреб і цілей. Консультація з професійним підрядником з фотоелектричної енергетики. це найпростіший спосіб визначити ідеальний розмір і конфігурацію вашої домашньої сонячної енергетичної системи.

Професійна команда Intermountain Wind Solar пропонує безкоштовні консультації з питань фотоелектричної енергії для власників будинків та підприємств у штатах Айдахо, Юта, Колорадо, Вайомінг та Невада. Зв’яжіться з нами сьогодні, щоб дізнатися більше та визначити, чи підходить вам гібридна сонячна енергетична система.

Гібридна вітро-сонячна енергосистема для житлових будинків

Голландський стартап Airturb розробив гібридну вітро-сонячну енергосистему потужністю 500 Вт, що складається з вітрогенератора з вертикальною віссю і сонячної бази, на якій розміщено чотири сонячні панелі потужністю 30 Вт. Система може бути використана для встановлення на даху або поза мережею.

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Поділіться

Нідерландський стартап Airturb розробив гібридну вітро-сонячну енергосистему потужністю 500 Вт, яку можна використовувати для житлових або позамережевих застосувань.

“Система складається з вітрогенератора з вертикальною віссю та модифікованою гвинтовою формою Савоніуса і основи з чотирма монокристалічними панелями”. розповів генеральний директор Серкан Кіліч в інтерв’ю журналу pv.”Вона має навантаження на дах 131 кг/м2.”

Сонячна база складається з конструкції, виготовленої з оцинкованої сталі та гуми. Він має розмір 1.14 м х 1.14 м х 20 мм і важить 35 кг. На ній можна розмістити чотири сонячні панелі потужністю 30 Вт кожна. Вона включає чотири модулі Eco Line ES30M36 від німецької компанії Enjoy Solar.

“На основі можуть бути встановлені й інші типи сонячних панелей”. сказав Кіліч.

Малий вітрогенератор має розмір 1.8 м х 1.14 м х 1.14 м і важить 70 кг. Вона має баластну вагу від 70 кг до 100 кг і може працювати при температурі від.25 C до 60 C. Кожна панель виготовлена з армованого скловолокном поліестеру, важить 1.5 кг, а вимірює 1.5 м x 0.7 м х 1.5 мм.

Вітроенергетична система також включає в себе генератор осьового потоку PMS потужністю 300 Вт (PM SA), який перетворює механічну енергію в електричну енергію, що характеризується як трифазний змінний струм. Гібридна система оснащена гібридним інвертором DualVolt потужністю 500 Вт.

Популярний контент

“Вона спроектована, розроблена і виготовлена компанією Airturb”. сказав Кіліч.

Пристрій має розміри 540 мм x 430 мм x 139 мм і важить 25 кг. Вона повинна бути розміщена окремо на ділянці, з максимальною відстанню до системи 25 метрів. Airturb пропонує системи у двох версіях, з сонячними панелями або без них.

“Обидві моделі попередньо збираються компанією Airturb і доставляються на місце установником”. сказав Кіліч. “Наразі доступна лише система, що включає основу та сонячні панелі. Система без основи та сонячних панелей розробляється, і ми запропонуємо її з третього кварталу цього року.”

Повний пакет з сонячною базою та вітровим інвертором DuoVolt коштує 4 235 євро (4 626 грн), не включаючи витрати на встановлення, згідно з даними веб-сайту компанії.

“Система спроектована, спроектована і розроблена в Нідерландах, виготовлена в Туреччині і зібрана в Нідерландах”. сказав Кіліч.

Цей вміст захищений авторським правом і не може бути використаний повторно. Якщо ви хочете співпрацювати з нами і хочете повторно використовувати частину нашого контенту, будь ласка, зв’яжіться з нами за адресою: editors@pv-magazine.com.

Еміліано Белліні

ціни, сонячної, енергії, гібридна

Еміліано приєднався до pv magazine у березні 2017 року. Він займається сонячною та відновлюваною енергією з 2009 року.

Залишити відповідь