38
Cолнечная энергия в архитектуре и природе Доц. Тюхов И. И. кафедра ЮНЕСКО в ГНУ ВИЭС, кафедра физики им. Фабриканта МЭИ (ТУ)

Solar Energy & Architect

Embed Size (px)

DESCRIPTION

 

Citation preview

Page 1: Solar Energy & Architect

Cолнечная энергия в архитектуре и природе

Доц. Тюхов И. И. кафедра ЮНЕСКО в ГНУ ВИЭС,

кафедра физики им. Фабриканта МЭИ (ТУ)

Page 2: Solar Energy & Architect

Возобновляемая энергетикаКонцентраторы солнечного

излученияИзображающие и

неизображающие концентраторы

История и терминологияДвухсторонние СЭГибридные концентраторные

системы Цветы – концентраторы СИДемонстрации

О чем пойдет речь

Page 3: Solar Energy & Architect

[Solar PV energy conversion & 21 century’ civilization, Hamakawa, SEM$SC, 2002]

Ближайшая перспектива

Page 4: Solar Energy & Architect

Историческая перспектива

Fahrenbruch A., Bube R. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion, NY, 1983

Page 5: Solar Energy & Architect

3 - E трилемма

[Solar PV energy conversion & 21 century’ civilization, Hamakawa, SEM$SC, 2002]

Page 6: Solar Energy & Architect

878963

1065

1375

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2000 г. 2005 г. 2010 г. 2020 г.

4,3(0,5%)

6,3(0,7%)

9,5(0,9%)

27(2,0%)

Доля возобновляемых

источников энергиив общем

производствеэлектроэнергии,млрд.кВт.ч (%)

Общее производство электрической

энергии в России,млрд.кВт.ч

Прогноз (2004 г.) использования возобновляемых источников энергии в России

для выработки электрической энергии(с учётом малых ГЭС мощностью до 30 МВт)

Page 7: Solar Energy & Architect

В России принята программа развития альтернативной энергетики

Правительство РФ 8 января 2009 г. приняло программу развития альтернативной энергетики, которая предполагает увеличение ее доли в энергобалансе страны до 4,5% к 2020 году (в 2010 году - 1,5 процента; в 2015 году - 2,5 )

обеспечить разработку и реализацию программ распространения знаний об использовании возобновляемых источников энергии и подготовки специалистов в области проектирования и эксплуатации генерирующих объектов, функционирующих на основе использования возобновляемых источников энергии;

Сейчас с использованием возобновляемых источников энергии ежегодно вырабатывается не более 8,5 млрд. кВт.ч электрической энергии (без учета гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт), что составляет менее 1 процента от общего объема производства электроэнергии в Российской Федерации.

Page 8: Solar Energy & Architect

Combined Heat & Power Solar system (CHAPS) for electricity & hot water

Prototype of a domestic CHAPS System

A solar field in the Mojave Desert100 MWatts !

New Industry EmergingAnnual PV shipment growth 20-30%

Page 9: Solar Energy & Architect

ПРЕИМУЩЕСТВА концентраторных систем перед плоскими солнечными модулями

низкая стоимость ожидаемые стоимости для GaAs параболических концентраторов 7-4 цента/кВт час

повышенная эффективность только концентраторные системы позволяют достигать кпд выше 20%

большая доступность в материалах

для концентраторов используются традиционные строительные материалы в отличие от Si, In и т. д.

использование менее токсичных материалов

многие пленочные технологии используют такие токсичные материалы как, например, Cd

легкость утилизации современные тенденции массового производства предъявляют требования к утилизации, концентраторы состоят в основном из легко утилизируемых: стали, алюминия, пластиков

больший годовой выход энергии

слежение увеличивает интегральный энергетический выход

возможности использования местного производства

за исключением солнечных элементов все компоненты концентраторов могут производиться везде и вблизи мест непосредственного использования

легкость увеличения масштабов производства

мощности существующих полупроводниковых производств достаточны для ожидаемых поставок солнечных элементов, остальное производство относится к достаточно стандартному механическому, что существенно снижает необходимые капитальные вложения

Page 10: Solar Energy & Architect

Что означает BP?

Page 11: Solar Energy & Architect

Ключевые слова:

Фокон, фоклин

Неизображающая оптика

CPC - compound parabolic concentrators (2D , 3D)

"anidolic" ("an"=без, eidolon"=imageб др. греч.)

Двухсторонние СЭ

1. Баранов В. К. (1965) получил несколько АС (№167327 “Фокон”, #200530) и опубликовал статьи о параболоторических фоконах для концентрации солнечной энергии (Гелиотехника, 1966), Баранов и Мельников описали зхарактеристики полых фоконов (1966)

2. Winston и Hinterberger (USA) описали устройство для сбора света всчетчиках Черенкова (efficient light coupler , 1966 …)

3. Ploke (Germany) (1967) описал симметричный CPC имеющий преломляющую среду, Ploke (1969) получил немецкий патент для фотометрических применений аксиально симметричный CPC.

Терминология и История

Page 12: Solar Energy & Architect

2 = /2 - конический

фокон

Фокон (простейшая форма неизображающих концентраторов

Page 13: Solar Energy & Architect

Квазиизображение лимона в фоконе

Page 14: Solar Energy & Architect

Поток излучения на поверхности

Солнца ~ 6.3 кВт/см2,

На орбите Земли ~137 мВт/см2,

На поверхности Земли

80- 100 mW/cm2,

[Winston, 1990, Sunlight brighter

than the Sun]

Термодинамический предел для солнечного концентратора

Page 15: Solar Energy & Architect

2 f 2a

f

С =a/(f )

Ось параболы

Увеличительное стекло (линза)

Параболоторический фокон, Баранов В. К., 1965

Фокус параболы

Ось фокона

Изображающая и неизображающая оптика

Page 16: Solar Energy & Architect

Можно ли создать идеально концентрирующий изображающий концентратор?

D = 2 r sinθd = 2 r sinθ/cosΦ

D/d = sinΦ cosΦ/sinθ = sin2Φ /2 sinθ

С = (D/d)2 = (1/ 4) sin22Φ /2 sin2θ ≤ (1/ 4)/2 sin2θ ≤ (1/ 4) Cmax

[R.Winston, 1997]

θ

θθ

F

Φ

D/2

d/2

Page 17: Solar Energy & Architect

Двухсторонние СЭ

 Использование структур с изотипным переходам. Сохранение диффузионной длины неосновных носителей заряда во время диффузии. Пассивация n+- поверхности с той же пленкой SiO2 , что и при диффузионном процессе.  Использование прозрачного тыльного контакта.

СЭ делаются из кремния с р-п переходами. КПД СЭ составляет 13 - 17%, отношение тока КЗ при освещении с тыльной стороны и лицевой стороны составляет 50 - 90%.  

Page 18: Solar Energy & Architect

Концентраторные технологии ВИЭСХ

Применение двухсторонних СЭ

Использование неизображающей оптики для концентраторов без слежения

Новые технологии модулей без использования пластиков со сроком службы до 50 лет

Page 19: Solar Energy & Architect

Основные идеи технологий ВИЭСХ

неизображающая оптика для концентраторов без слежения

асиметричные (симметричные) концентрирующие зеркала

двухсторонние СЭ

в беспластиковых модулях

Qполучение тепла (комбинированные системы)

Page 20: Solar Energy & Architect

Ход лучей

Page 21: Solar Energy & Architect

Световая полоса на

фото-электрическом

приемнике

Page 22: Solar Energy & Architect

Проект в UO и OIT

Page 23: Solar Energy & Architect

Концентратор – козырек UO

Page 24: Solar Energy & Architect

Испытания в OIT

Page 25: Solar Energy & Architect

Vision of integrating by research architect –

thanks to Joel H. Goodman

Page 26: Solar Energy & Architect

Применение неизображающей оптики в анидолических системах освещения

Page 27: Solar Energy & Architect

Лето

Лето

Зима

Зима

HeliodonHeliodon

Page 28: Solar Energy & Architect

Установка для моделирования движения Солнца

Page 29: Solar Energy & Architect

Пример частичного затенения ФЭ

Главным преимуществом физической модели является, то что она позволяет наглядно показать явление постоянного изменения солнца на небе с течением суток,

временем года в зависимости от географической широты и оценить тень от объектов и ее влияние на снижение эффективности солнечных установок

Page 30: Solar Energy & Architect

НАЗЕМНЫЙ СОЛНЕЧНО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ПОЛЕЗНОЙ ЭЛЕКРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИЕЙ (ФГУП ВЭИ)

Wэлектрическая = 1 кВтWтепловая = 3.5 кВт

AС 220 V, 50 HzDC 12, 24, 36 V

Макет солнечно-энергетического модуля

Приемный блок

Монтаж макета насистеме слежения

Проект опытного образца

Page 31: Solar Energy & Architect

Концентрация солнечного излучения в цветах

[НиЖ, 1977, №6, Н. Малютин]

Page 32: Solar Energy & Architect

Терморегуляция у цветков лотоса

Лотос – водное растение семейства кувшинковых (символ солнца у египтян, потому, что почти одновременно с восходом и заходом солнца раскрывался и закрывался его цветок)

Цветкам легендарного лотоса, нередко называемого священным растением, свойственны теплообразование и терморегуляция (R.S.Seymour) -Мотеля (Paul Schultze-Motel) университет г. Аделаида, Австралия. Поразительная красота цветков и гелиотропизм. Гомойтермичный период в цветоложе - температура от 30 до 35 град С: при температуре окружающего воздуха 10

град С температура цветоложа была   30 град С, а при температуре воздуха 30 град С цветоложе разогревалось до 35 град. При внешней температуре более 30 град температура цветоложа продолжала оставаться на несколько градусов выше температуры окружающего воздуха.

Термоизоляция для насекомых

Page 33: Solar Energy & Architect

Ловушка для света

Page 34: Solar Energy & Architect

Другие примеры

Гомойотермные растения и животныеГелиотропыЧетырехглазки (Anableps), род живородящих рыб

семейства четырехглазковых, отрю карпозубообразных. Длина тела 15-20 см, редко до 30 см. Глаз у четырехглазки (роговица и сетчатка) разделен эпителиальной перегородкой на две части – верхнюю и нижнюю. Верхние половины глаз приспособлены для зрения вне воды. Это позволяет четырехглазке, плавающей обычно у поверхности воды, видеть одновременно над и под водой. Известно два вида. Четырехглазки обитают в лагунах Центральной Америки и сев. Юж. Америкию питаются мелкими беспозвоночными (главным образом воздушными насекомыми), выслеживая их в воде и над ее поверхностью. Оплодотворение у четырехглазки внутреннее. Выметывают 1-5 мальков длиной 1-5 см.

[Жизнь животных, т. 4, ч. 1, М., 1971]

Page 35: Solar Energy & Architect

Проблемы и вопросы для дальнейшей проработки Концентрация излучения в цветах (геометрия, спектры,

слежение за Солнцем, терморегуляция…) Использование принципа двухстороннего приема в листьях Квазистатические системы слежения в цветах Алгоритм возвращения к исходной точке (восхода Солнца) Два максимума в спектре поглощения хлорофилла Неизображающие системы для парников Аккумулирование солнечного излучения в биомассе Симметрия и асимметрия в растения Термические и световые часы растений Адаптация для различных уровней освещения Принцип запасания энергии для строительства Симметрия в цветах

Page 36: Solar Energy & Architect
Page 37: Solar Energy & Architect

Вечная энергия Солнца

Page 38: Solar Energy & Architect

Спасибо за внимание!

[email protected]

Адрес:

109456, Москва, 1-ый Вешняковский проезд, дом 2, ГНУ ВИЭСХ

Тел: (+7 499) 171-05-23, (+7 499) 171-19-20

Fax: (+7 499) 170 51 01E-mail: [email protected]