Тезисы Работы

Анализ возможности использования люминесцентных стёкол для остекления теплиц с целью концентрации и преобразования солнечной энергии в электрическую.

Полупроводниковые преобразователи солнечной энергии находят широкое применение в качестве источников электрической энергии на спутниках, и для электропитания сравнительно маломощного мобильного оборудования. Однако открытым остается вопрос о возможности использования полупроводниковых преобразователей для генерации «промышленной» электроэнергии, что связано с высокой стоимостью преобразователей и необходимостью отчуждения относительно больших площадей для установки преобразователей.

В настоящей работе анализируется возможность и экономическая целесообразность генерации электроэнергии полупроводниковыми преобразователями при использовании для остекления теплиц люминесцентных стекол, позволяющих значительно сконцентрировать солнечное излучение и существенно не изменяющих условия выращивания растений в теплицах.

Схематично расположение люминесцентных стекол остекления и полупроводниковых преобразователей показано ниже.

В идеальном случае часть поглощенного люминесцентными стеклами излучения, Fn распространющееся к их торцам и выходящая через них в случае оптического контакта с полупроводниковым преобразователями и, как следует из [1] составляет Fn≈0.75F0, где F0 - поглощенная стёклами энергия. С

c

Состав органического стекла: полистирол илиполиметилметакрилат с растворёнными люминесцентными добавками (люминофорами).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Полосы поглощения и высвечивания люминофоров определяются типами полупроводниковых преобразователей, выбор которых, в свою очередь, определяется, главным образом, спектральным распределением числа фотонов в солнечном излучении.

Часть потока солнечного излучения F0 поглощается люминофорами, затем изотропно переизлучается, причём переизлученное излучение F может составлять F ≥ 0,9F0. Известно [1], что излучение F распределяется на две части:

(1)

При коэффициенте преломления WLS пластины n = 1.5 (полиметилметакрилат):

F1≈0,25F- замыкается в пластине за счет полного отражения.

F2≈0,75F- распределяется по поверхности пластины в равных частях и выходит чрез них.

В идеальном случае при оптическом контакте кремневых преобразователей с торцами WLS пластин на преобразователи попадет часть излучения Fn равная:

(2)

С учётом же перекрытия спектров поглощения и излучения люминофоров, прозрачности пластины:

(3)

Из соотношений 11, 11а работы [2] следует, что коротковолновая часть солнечного спектра с λ ≤ 500 нм, которая может быть использована для выращивания растений, составляет не более 6% от эффективной в плане преобразования энергии области сектора. Таким образом можно считать, что на преобразователи попадет эффективная часть солнечного излучения, составляющая:

(4)

Соотношение (4) означает, что при использовании WLS эквивалентная по вырабатываемой электроэнергии площадь солнечных полупроводниковых преобразователей SSi в 2,5 раза меньше, чем площадь WLS (SWLS), т. е. SWLS=2,5SSi. Отношение площадей WLS пластин и площади двухсторонних преобразователей (площади одной стороны) составляет:

(5)

(множитель два за счет двусторонности преобразователей)

Подставив a = 100см и t = 0,1см, получим R=500. В одностороннем случае R ≈ 250.

Таким образом, при площади тепличного хозяйства 100 га ≈ 106 м2 вырабатывается энергия эквивалентная, получаемой с помощью Ssi = м2 полупроводниковых (Si-кремневых преобразователей). При этом требуемая площадь преобразователей то есть составляет только 0.5% от Ssi или SWLS=2×103м2 двусторонних Si преобразователей для площади остекления в 100га. В одностороннем случае SWLS=4×103м2

2. Люминофоры для WLS.

Оптимальной для эффективного преобразования солнечной энергии можно считать возможно более узкую спектральную область с длинноволновым краем, соответствующем ширине запрещенной зоны полупроводника преобразователя. Для кремневых преобразователей это составляет λ ≈ 1080нм. Для сдвига излучения в спектральном диапазоне 500 нм ≤ λ ≤ 1080 нм к длинноволновой границе необходимо использовать несколько люминесцентных добавок, последовательно смещающих излучение. Это связано с конечной шириной полосы поглощения люминофоров в требуемой спектральной области. Существенным требованием к люминофорам для WLS является наличие широкой области прозрачности в видимой части спектра излучения при λ≤500нм, что необходимо, для развития растений. Такие люминофоры разработаны для лазеров на красителях и можно, например, указать следующую группу люминофоров [5] для последовательного сдвига излучения области 500 ≤ λ ≤ 1080 нм к её длинноволновой границе:

1.  C20H20N3O5Cl (максимум поглощения – 633 нм, максимум излучения – 672 нм)

2.  C23H21N2O2I (максимум поглощения – 682 нм, максимум излучения – 718 нм)

3.  C29H33N2I (максимум поглощения – 741 нм, максимум излучения – 778 нм)

4.  C39H34N3O4S2Cl3 (максимум поглощения – 810 нм, максимум излучения – 860 нм)

3. Оценки рентабельности парниковых солнечных батарей.

По данным [3,4] удельная солнечная энергия даже для средней полосы составляет Ey = 1¸1.6МВт×час/м2.Положим, что Ey = 1,3 средняя электрическая мощность, вырабатываемая полупроводниковыми батареями теплицы будет составлять:

(7)

где η – кпд кремниевого преобразователя, η≈0,1

При стоимости электроэнергии 1 руб/кВт×час доход в день (d) и доход в год (D) производства электроэнергии составят соответственно:

(8a)

(8b)

Стоимость двухсторонних полупроводниковых батарей P при удельной стоимости кремневых батарей

(9)

С учетом дополнительных расходов на монтаж двухсторонних батарей и расхода на преобразователи постоянного тока в переменный можно считать, что окупаемость парниковых солнечных батарей составит менее 1 года.

Сравним теперь прибыль среднего по рентабельности тепличного хозяйства со стоимостью вырабатываемой электроэнергии.

С 1м2 площади теплицы за год собирается около 35кг помидоров или огурцов. При закупочной стоимости овощей в год доход с 1м2 составляет35 кг25 руб = 900 руб и при площади теплицы 100 га доход P=900 млн. руб. При 15% рентабельности прибыль составляет П=135 млн. руб. Эту величину следует сравнить с величиной дохода от генератора электроэнергии составляющей 52 млн. руб.

Литература

1. G. Keil. Nuсl. Instr and Meth: 1970, 87, p.111

2. С. Зи. ”Физика полупроводниковых приборов.” Москва “мир”1984, стр. 396.

3. http://solbat. narod. ru/meteo. htm

4. С. Зи. ”Физика полупроводниковых приборов.” Москва “мир”1984, стр. 390-392.

5. Ulrich Brackmann. Laser Dyes. 3rd Edition. Lambda Physik. AG D-37079 Gottingen Germany.