МОДЕРНІЗАЦІЯ ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ УСТАНОВКИ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ГОЛОГРАФІЧНОГО КОНЦЕНТРАТОРА

Півненко, Антон Олександрович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8186

Title:	МОДЕРНІЗАЦІЯ ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ УСТАНОВКИ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ГОЛОГРАФІЧНОГО КОНЦЕНТРАТОРА
Authors:	Плахотний, Олександр Петрович Півненко, Антон Олександрович
Keywords:	фотоелектричні системи;енергоефективність
Issue Date:	30-Jan-2024
Abstract:	У вступі обґрунтовується значимість теми, розглядається її новизна і практична цінність, коротко викладається сутність і мета роботи. Перший розділ роботи включає в себе оцінку та аналіз стану питання використання ГК в сучасній сонячної енергетики та її перспективи, вибір та огляд територіальної місцевості та його перспективи, вибір об'єкта дослідження та застосування сонячних фотоелектричних батарей із застосуванням системи охолодження. Другий розділ це робота присвячена вибору та розрахунку параметрів голографічного оптичного елемента (ГОЕ) у сонячних модулях із застосуванням системи охолодження. Наведено методика розрахунку його основних параметрів У третьому розділі розроблено та обґрунтовано конструкцію ДСУ з ЦК. змодельовано режим роботи ДСУ на основі ЦК. Розраховано та визначено тепловий режим та технічні параметри запропонованої установки. Проведено оцінку вартості ДСУ на основі ЦК. У четвертому розділі запропоновано схему роботи ГСУ з ГК спільно з сонячним колектором, а також методику та алгоритм, що враховує особливості когенерації. Розроблено ПЗ для розрахунку балансу потужності та економічного обґрунтування вибору схеми енергопостачання на основі сонячної енергії. Наведено порівняльні економічні оцінки застосування ДСУ з ЦК та класичних РМ. У висновку сформульовано основні результати роботи та зроблено висновки за підсумками досліджень. В п’ятому розділі досліджені вимоги до техніки безпеки при експлуатації та роботі з сонячними батареями.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8186
Appears in Collections:	144 Теплоенергетика (Теплоенергетика)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Півненко.pdf Restricted Access		3.07 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

3
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій

„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
_______________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“___” ___ 2023 р.

МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:

«МОДЕРНІЗАЦІЯ ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ УСТАНОВКИ
ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ГОЛОГРАФІЧНОГО
КОНЦЕНТРАТОРА»

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
код роботи МКР 23.144.7 ПЗ
Спеціальність 144 - Теплоенергетика

Виконавець роботи:
_________________________Півненко Антон Олександрович __________________
(підпис, дата)
Науковий керівник:
___________________Плахотний.О.П., д.т.н._______________________
(підпис, дата)
Рецензент:
________________________________________________________________
(підпис, дата)

Черкаси, 2023 р.
4

Анотація

На магістерську кваліфікаційну роботу на тему: «Підвищення енергетичної
ефективності фотоелектричних систем акумуляторного типу з малим обсягом
генерації».
Виконавець: ст. гр. мЗТЕ-88 Півненко Антон Олександрович.
Керівник: к.т.н., Плахотний.О.П.
Захищено: "____"____________2023 р.
107 с.; 35 рис.; 19 табл.; 87 використаних джерел.
У вступі обґрунтовується значимість теми, розглядається її новизна і
практична цінність, коротко викладається сутність і мета роботи.
Перший розділ роботи включає в себе оцінку та аналіз стану питання
використання ГК в сучасній сонячної енергетики та її перспективи, вибір та огляд
територіальної місцевості та його перспективи, вибір об'єкта дослідження та
застосування сонячних фотоелектричних батарей із застосуванням системи
охолодження.
Другий розділ це робота присвячена вибору та розрахунку параметрів
голографічного оптичного елемента (ГОЕ) у сонячних модулях із застосуванням
системи охолодження. Наведено методика розрахунку його основних параметрів
У третьому розділі розроблено та обґрунтовано конструкцію ДСУ з ЦК.
змодельовано режим роботи ДСУ на основі ЦК. Розраховано та визначено
тепловий режим та технічні параметри запропонованої установки. Проведено
оцінку вартості ДСУ на основі ЦК.
У четвертому розділі запропоновано схему роботи ГСУ з ГК спільно з
сонячним колектором, а також методику та алгоритм, що враховує особливості
когенерації. Розроблено ПЗ для розрахунку балансу потужності та економічного
обґрунтування вибору схеми енергопостачання на основі сонячної енергії.
Наведено порівняльні економічні оцінки застосування ДСУ з ЦК та класичних РМ.
5
У висновку сформульовано основні результати роботи та зроблено висновки
за підсумками досліджень.
В п’ятому розділі досліджені вимоги до техніки безпеки при експлуатації та
роботі з сонячними батареями.

6
Зміст

ВСТУП .............................................................................................................................. 8
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ І ПЕРСПЕКТИВИ
РОЗВИТКУ ВИКОРИСТАННЯ ГОЛОГРАФІЧНИХ
СОНЯЧНИХ КОНЦЕТРАТОРІВ ................................................................ 12
1.1. Історичні факти використання голографічних концентраторів у світі .......... 12
1.1.1. Галузь застосування голограм ..................................................................... 14
1.2. Фотоелектричні установки на основі голографічних сонячних
концетраторів ........................................................................................................... 15
1.3. Гібридні сонячні установки ................................................................................ 18
1.4. Методика порівняння сонячної радіації і розрахунок параметрів сонячних
ресурсів для покращення ефективності сонячних елементів ............................. 18
1.5.Задача магістерської роботи ............................................................................ 22
Висновок першого розділу ........................................ Error! Bookmark not defined.
РОЗДІЛ 2. ВИБІР ГОЛОГРАМННОГО ОПТИЧНОГО ЕЛЕМЕНТУ
РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ............................................................ 23
2.1. Голограмні оптичні елементи для сонячних фотоелектричних установок .. 25
2.1.1. Голографічні матеріали для концетрації сонячної енергії ...................... 29
2.1.2. Методи розрахунку основних параметрів голограмних елементів ........ 32
2.2. Моделювання товщини голограми .................................................................... 34
2.2.1. Вибір методу для аналізу кутів падіння і дифракції ................................ 40
2.2.2. Імітаційне моделювання ФЕУ, перевірка моделі за експериментальним
даними ...................................................................................................................... 37
Висновок розділу........................................................................................................ 44
РОЗДІЛ 3. МОДЕЛЮВАННЯ І РОЗРОБКА РЕЖИМУ ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ
УСТАНОВКИ ................................................................................................................ 44

МКР 23.144.43 ПЗ
Зм н. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Півненко.А.О Зміст Літ. Арк. Акрушів
Пер евір. Плахотний.О. магістерської
кваліфікаційної роботи
Н. Контр. ЧДТУ, мЗТЕ-88
Затверд. Калейніков
7
3.1. Розрахування енергетичних елементів СФЕУ ................................................. 45
3.1.1. Розрахунок приходу сонячної радіації на поверхню фотоперетворювача
................................................................................................................................... 48
3.1.2. Обчислення температури роботи фотоелементу ...................................... 57
3.1.3. Коснтрукції гібридної сонячної установки на основі голографічного
концетратора ........................................................................................................... 68
3.2. Оцінка систем фотоелектричних теплових панелей ....................................... 69
3.2.1. Принципова робота ДСУ ............................................................................. 74
3.2.2 Моделювання режим роботи ДСУ .............................................................. 75
Висновок розділу........................................................................................................ 82
РОЗДІЛ 4. ОЦІНКА ПОТУЖНОСТІ ТА ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ВИБОРУ
СХЕМИ ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ НА ОСНОВІ ЕНЕРГІЇ СОНЦЯ ........................ 83
4.1 Вибір системи підігріву води та опалення ........................................................ 84
4.2 Аналіз енерговіддачі сонячних колекторів ....................................................... 84
4.2.1 Загальні вихідні параметри .......................................................................... 88
Висновок розділу........................................................................................................ 89
РОЗДІЛ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ
......................................................................................... Error! Bookmark not defined.
5.1. Техніка безпеки при установці та роботі з сонячними батареями ....... Error!
Bookmark not defined.
5.2. Екологічні характеристики сонячної енергетики ......... Error! Bookmark not
defined.
5.3. Розрахунок опору комбінованого заземлювача ........... Error! Bookmark not
defined.
5.4. Безпека при роботі з акумулятором ................ Error! Bookmark not defined.
5.4.1. Рекомендації при експлуатації акумулятора ............. Error! Bookmark not
defined.
5.4.2. Утилізація та знешкодження акумуляторів Error! Bookmark not defined.
5.5. Забезпечення пожежної безпеки електрообладнання та місце знаходження
установки .................................................................... Error! Bookmark not defined.
8
5.6. Утилізація та знешкодження фотоелементів . Error! Bookmark not defined.
Висновок до п’ятого розділу ..................................... Error! Bookmark not defined.
ВИСНОВКИ ................................................................... Error! Bookmark not defined.
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ ............................. Error! Bookmark not defined.

ВСТУП

Актуальність теми.
Галузь енергетики вважається однією з ключових галузей національного
господарства. За даними Міжнародного енергетичного агентства, до 2025 року
попит на електроенергію у світі зросте до 26 трлн. кВт.год, що становить значний
приріст порівняно з 2003 роком, коли він становив 14,8 трлн кВт.год. Темпи
зростання світового енергоспоживання ростуть набагато швидше, ніж темпи
наростання населення та розвитку економіки. Ця ситуація підкреслює важливість
ефективного управління енергоресурсами та необхідність переходу до більш
сталого та екологічно безпечного споживання енергії. При цьому слід зазначити,
що енергетичні ресурси розподілені нерівномірно по всьому світу, що створює
ситуацію, в якій деякі країни мають значні переваги, а інші змушені розвивати
альтернативні джерела енергії.
Сонячна енергія є однією з найбільш привабливих форм відновлюваної енергії.
Сучасні науковці активно працюють над розробленням нових методів і конструкцій
для більш ефективного використання цього виду енергії, замість традиційних
джерел енергії. Треба відзначити, що, незважаючи на постійний розвиток сонячних
технологій, існують технічні перешкоди, такі як низька ефективність сонячних
елементів (СЕ), і економічні обмеження, особливо високі початкові витрати при
відсутності адекватних фінансових механізмів. У сучасному світі однією з
основних проблем у використанні сонячної енергії є обмеженість коефіцієнта
конверсії кремнієвих сонячних елементів, яка теоретично зумовлена межею Шоклі-
Квіссера.
На сучасний момент існують різноманітні сонячні системи, включаючи ті, що
9
мають сонячні елементи та голографічні концентратори, і системи, де
використовуються інші типи концентраторів та водяне охолодження. Проте
поєднання сонячних елементів, голографічних концентраторів і водяного
охолодження одночасно залишається недослідженим питанням.
У даному дослідженні розглядається гібридна сонячна когенераційна
установка, яка включає в себе голографічні концентратори, систему водяного
охолодження сонячних елементів та використання нагрітої води для опалення та
гарячого водопостачання користувачів. Досліджуються різні фактори, які можуть
підвищити ефективність роботи цієї установки, зокрема, когенерація, концентрація
та зниження витрат на сонячні модулі за рахунок використання голографічних
концентраторів. Особливо підібрані режими та схеми роботи гібридної сонячної
установки (ГСУ), разом із системою енергопостачання споживачів, які
синхронізують графік максимального навантаження (електричного і теплового) із
графіком сонячної радіації, дозволяють ефективно збільшити вироблену ГСУ
електроенергію за рахунок максимально ефективного використання тепла без його
накопичення.
Мета роботи: оцінка ефективності роботи звичайних фотоперетворювачів
завдяки використанню голографічних концентраторів та оптимізації коефіцієнта
корисної дії фотоперетворювачів через ефективне відведення і використання тепла.
Практична цінність полягає в тому, що в результаті проведених досліджень:
1. Результати розробки ДСУ з ГК показали ефективність використання
ГСУ з ГК для отримання теплової та електричної енергії в країнах з
добрими кліматичними умовами (СР, висока температура
навколишнього середовища середовища).
2. Розроблено ПЗ, що дозволяє врахувати особливості когенерації для
техніко-економічного обґрунтування системи енергопостачання
локального споживача на основі ДСУ з ЦК.
Об’єкт дослідження є глографічні сонячні установки та гібридні сонячні
установки різної потужності.
Для досягнення мети в даній роботі було поставлено та виконано такі
10
завдання:
1. Модернізація конструкції ГК з ДСУ та змоделювання її режиму роботи;
2. Визначення оптимальних конструктивних параметрів та енергетичних
характеристик ДСУ з ЦК з використанням математичних моделей;
3. Методика та послідовність обліку особливостей когенерації, для
технікоехнічного обґрунтування систем енергопостачання споживача на
основі ДСУ з ЦК.
4. Дослідити конструкцію ДСУ з ДК та змоделювати її режим роботи, що
визначає її вироблення (електричну та теплову) при функціонуванні в
реальних умовах експлуатації.
5. Результати обґрунтування оптимальних конструктивних параметрів
ДСУ ЦК.
6. Розробити методику та алгоритм, що враховує особливості когенерації,
для техніко-економічного обґрунтування системи енергопостачання
локального споживача на основі ДСУ з ЦК.

11

12

РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ І
ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ ВИКОРИСТАННЯ
ГОЛОГРАФІЧНИХ СОНЯЧНИХ КОНЦЕТРАТОРІВ

МКР 23.144.43 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Півненко.А.О РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ І Літ. Арк. Акрушів
Перевір. ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ
Плахотний.О
ВИКОРИСТАННЯ
ГОЛОГРАФІЧНИХ
Н. Контр. СОНЯЧНИХ КОНЦЕТРАТОРІВ
ЧДТУ, мЗТЕ-88
Затверд. Калейніков
13
1.1. Історичні факти використання голографічних концентраторів у світі

Зростаючий попит на енергію та наростаючі екологічні проблеми ставлять
перед нами завдання розвитку нових технологій у сонячній енергії. Технології
сонячної енергетики мають свої переваги та недоліки, і вони обговорюються в наш
час. Розвиток цих технологій, а також інших галузей, може відігравати важливу
роль у розвитку сонячної енергетики та відновлюваної енергетики загалом.
Розглянемо основні проблеми та перешкоди, які стоять на шляху використання
сонячної енергії.
Сонячні панелі мають свої власні виклики і обмеження на шляху до широкого
використання. Однією з головних проблем є висока вартість кристалічного
кремнію, яка становить близько 30-40% від загальної вартості сонячних панелей .
Але це лише один аспект проблеми, розглянутий з економічного погляду. З
технічного погляду, низька ефективність сонячних елементів (10-25%) є ще однією
ключовою проблемою, оскільки лише мала частина сонячного спектра може бути
використана для перетворення в електроенергію, враховуючи властивості сучасних
сонячних елементів. Хоча в лабораторних умовах було досягнуто ККД на рівні
44,7%, економічна вигідність таких сонячних елементів на виробничому рівні для
звичайних споживачів залишається проблемою. І ще однією важливою проблемою
є нерівномірний розподіл сонячної радіації на Землі та її зміна протягом дня. У
сфері перетворення сонячної енергії в тепло, ефективність використання становить
всього 75-80%. Незважаючи на всі ці економічні та технічні виклики, галузь
сонячної енергії розвивається в різних напрямках. Деякі працюють над більш
ефективними методами виробництва сонячних модулів, інші створюють програми
та ініціативи для залучення підтримки від уряду, бізнесу та суспільства, а треті
фокусуються на розробці нових конструкцій, технологій та інтеграції з іншими
галузями з метою максимально ефективного використання сонячної енергії .

14

Малюнок 1.2 - Світове споживання енергії до 2050. Джерело прогноз BP
Energy Outlook.

Для зменшення кількості фотоелементів, необхідних для вироблення
електроенергії, і підвищення ефективності сонячних систем зараз
використовуються сонячні концентратори. Це оптичні пристрої, які збільшують
інтенсивність сонячного випромінювання. Застосування сонячних концентраторів
дозволяє значно зменшити площу сонячних елементів, необхідну для отримання
певної електричної потужності, підвищити їх стійкість до зовнішніх впливів і, в
результаті, знизити вартість виробленої електроенергії. Нижче перераховано
різновиди сонячних концентраторів, які існують у світі на сьогодні [посилання 52]:
• концентратори на основі концентричних лінз Френеля;
• призматичні;
• фоклони і фокони;
• концентратори з U-подібним концентратором;
• голографічні та люмінесцентні концентратори;
• жалюзного типу як геліостати – концентратори.
15
• параболоїдні концентратори сонячного випромінювання;

Сонячні концентратори представляють собою різні технології зі своїми
перевагами та недоліками. Але не всі з них є ефективними для виробництва
електроенергії, особливо для автономних систем. На сьогоднішній день,
голографічні концентратори (ГК) вважаються найбільш підходящими для
інтеграції з сонячними модулями. Хоча вони не забезпечують так високу
концентрацію світла, як системи з дзеркалами, призмами або лінзами (всього до 10
разів), вони мають свої переваги. ГК легкі, мають мінімальну товщину та відносно
низьку вартість. Крім того, вони здатні селекціонувати світло за спектрами,
виключаючи теплову частину спектру, що дозволяє досягти високої ефективності
фотоелектричних перетворювачів без перегріву. На відміну від дзеркал та лінз, ГК
не вимагають обов'язкового охолодження кремнієвих панелей. Крім того, ГК
спрощують систему стеження за Сонцем. Введення на ринок першого покоління
РМ з ГК, так званих плоских голографічних концентраторів, відкрило нові
можливості для використання сонячної енергії. Враховуючи актуальність
енергетичних проблем, цей напрямок стане дедалі важливішим для досліджень і
розвитку в майбутньому. Для вирішення цих завдань голографічні концентратори
можуть стати ідеальним рішенням. Давайте розглянемо різновиди голографічних
концентраторів та їх застосування.

1.1.1. Галузь застосування голограм
Область застосування голограм на сьогоднішній день дуже широка завдяки
розвитку технології і нано технології. Голограма показала себе як
багатофункціональний продукт і активно використовується в таких областях як
спектроскопія, медицина, енергетика, захист від підробок, запис масив даних,
кінематографія, реклама, бізнес і т. п. Як видно з перерахованих областей, вона
може виконувати різні функції залежно від області використання.
Великий інтерес використання голограми після 10-річної перерви в галузі
енергетики, зокрема в сонячній енергетиці, з'явилося в 2000-х роках, коли вчені з
16
американської компанії «Prism Solar Technologies» запропонували сонячний
модуль із голографічним концентратором. Це призвело до безлічі ідей та
досліджень з використання голограм для заміни звичайних вікон з можливістю
генерації електричної енергії. В даний час голографія продовжує активно
розвиватися, і з кожним роком в цією області з'являються нові цікаві рішення. Ні
сумніви, що у майбутньому образотворчої голографії належить зайняти в життя
людей ще більш значне місце.
1.2. Фотоелектричні установки на основі голографічних сонячних
концетраторів
З усіх конструкцій, запропонованих у літературі, лише деякі перебувають у
промисловій експлуатації, наприклад пристрій, пропонований компанією Prism
Solar Technologies (PST) Батарея запропонована фахівцями «Prism Solar
Technologies» представляє структуру з смугами, що чергуються: смужка
голограми - смужка фотоелектричної батареї і так далі (див. рис. 1.3). Основою
нової сонячної панелі є плоский голографічний концентратор (Holographic Planar
Concentrator - HPC). Це голограма (голографічна плівка), затиснута між двома
шарами скло. на плівці за допомогою лазера виконані невидимі для ока
«візерунки» інтерференції, розраховані певним чином. Перші зразки таких
батарей проходили випробування в лабораторії відновлюваних джерел енергії
Міністерства енергетики США (National Renewable Energy Laboratory), а також у
ряді районів Америки та Японії.
Батареї є двосторонніми і компанія стверджує, що вони виробляють на 35%
більше енергії, ніж звичайні сонячні модулі. Дані сонячні модулі активно
застосовують у США під час реалізації сонячних проектів.
На жаль, на даний момент виробництво в промислових масштабах сонячних
батарей з голографічними концентраторами, крім батареї, запропонованої
компанією Prism Solar Technologies, більше немає. Однак, реєстрованих патентів,
запропонованих ідей та досліджень по даній тематиці рік за роком збільшується і
активно обговорюється в наукових галузях.
Модель сонячної фотоелектричної батареї із застосуванням голографічних
17
концентраторів принцип роботи дуже схожий на сонячні батареї компанії Prism
Solar Technologies, але не знаходиться у виробництві. Голографічна
фотоелектрична батарея та принцип її роботи наведені на рисунках 1.4-1.7.

Малюнок 1.2 – Вольт – Амперна характеристика фотоелектричного модуля
компанії Prism Solar Technologies.

Малюнок 1.3 – Фотоелектричний модуль компанії PST її застосування.

18
Малюнок 1.4 – Голографічна фотоелектрична батарея
Як видно з рисунку 1.4, фотоелементи розташовуються на 3 торцевих
поверхнях голографічного концентратора. Концентратор є дві голографічні
мультиплексні плівки, розташовані знизу і зверху кварцового скла (див. рис. 1.5-
1.6).

Малюнок 1.5 – Голографічна фотоелектрична батарея у розрізі.
Принцип роботи такої батареї наступний: сонячне випромінювання падає
голографічну мультиплексну плівку, потім воно заломлюється і основі явища
повного внутрішнього відбиття потрапляє на фотоелементи. Частина
випромінювання, яка не відповідає спектру
19

Малюнок 1.6 – Схема роботи голографічної фотоелектричної батареї.
Автори патенту стверджують що застосування такої конструкції сприяє
збільшенню ККД роботи фотоелементів за рахунок того, що сонячне
випромінювання концентрується і відсіюється частина спектру випромінювання,
що не відповідає діапазону роботи фотоелементів. Також така конструкція
підвищує вироблення електроенергії за рахунок можливості ефективної роботи при
різних кутах падаючого сонячного випромінювання. Як показує аналіз патентів
сонячних батарей з застосуванням голографічних концентраторів та принцип
роботи батареї, запропонованої PST, функції голограми, які застосовуються, дуже
схожі і виконують функцію концентратора. З цього можна, можливо сказати, що
виробництво індивідуальних голограм як рефлектор або концентратор для
сонячної енергетики дозволило б іншим розробникам сонячних проектів
реалізувати свої ідеї у реальному житті.

1.3. Гібридні сонячні установки
Гібридна сонячна встановлення (ДСУ) або сонячна фотоенергетична панель
(СФЕП) - єдиний технологічний пристрій, який одночасно перетворює сонячну
радіацію в електричну і теплову енергію. Такі технології об'єднують сонячний
елемент, який перетворює сонячне світло в електрику, з сонячним тепловим
20
колектором, який відбирає енергію, що залишилася, і видаляє відпрацьоване тепло
з фотоелектричного модуля. Ці технології можуть бути більш енергоефективними
загалом, ніж сонячні фотоелектричні модулі або тільки сонячні колектори, за
техніко-економічного обґрунтування їх застосування . Сьогодні лише кілька
компаній виробляють ДСУ, але пропозиції та їх дослідження почалися у 1970 році.
Розглянемо кілька гібридних сонячних установок, які перебувають у
виробництві. Одним із перших виробництву гібридних сонячних установок
розпочала компанія DualSun у 2010 році у Франції під назвою DualSun Spring (див.
мал. 1.7). Перша ДСУ була здана в експлуатацію вже у 2011 році. року.

Малюнок 1.7 – Гібридна сонячна установка DualSunSpring [23].
DualSun Spring складається із 160 деталей, зібраних протягом 50
технологічних операцій, як стверджує виробник. Основні деталі установки –
сонячні монокристалічні елементи, труби діаметром 5 мм, теплоізольований
каркас. Розмір установки стандартний (довжина 1.677, ширина 0.99) - 1.66 м 2 , з
загальним обсягом теплообмінника 5 літрів. У якості теплообмінника
21
використовується вода, яка може нагріватись до 70°С. Ця установка одночасно
виробляє електричну та теплову енергію, проте теплові характеристики сильно
залежать в першу чергу, від температури навколишнього середовища , оскільки
прямого потрапляння сонячного випромінювання на тепловій частині установки
немає. Установка запатентована та має різні сертифікації.
Компанія Solimpeks – одна із старовинної турецької компанії, що займається
виробництвом та розробками сонячних установок з 1977 року. Одним із її останніх
розробок є гібридна сонячна установка Hybrid/PV-TPowerVolt/MA–0013 (див. рис.
1.8). ГСУ, яку пропонує турецька компанія за складом компонентів, нічим не
відрізняється від DualSun Spring.
Данська компанія DanSolar у 2014 році пропонувала свій варіант ГСУ H-NRG
hybridPVT, який дуже простий у складанні (див. рис. 1.9). H-NRG hybrid PVT
складається з двох окремих частин, який можна використовувати окремо – СМ із
СЕ та плоский сонячний колектор. Використання таких недорогих плоских
сонячних колекторів (ПСК) дозволить підтримувати низьку вартість енергії, що
виробляється за рахунок сонячного випромінювання.
Як очевидно з наведених ДСУ, що у виробництві, жодна їх використовує
голографічні плівки. Виробники говорять про ефективність цих систем, проте
вартість установки також значно збільшується.
Малюнок 1.8 – Конструкція Hybrid/PV-T PowerVolt/MA-0013.
22

Малюнок 1.9 – Гібридна сонячна установка H-NRGDanSolar [22].
1.4. Методика порівняння сонячної радіації і розрахунок параметрів
сонячних ресурсів для покращення ефективності сонячних елементів.
Методи, використовуються в моделі сонячної радіації, враховують
коефіцієнти ослаблення сонячної радіації по дорозі через атмосферу до
досягнення Землі поверхні. Для розрахунку параметрів сонячних ресурсів у
моделі Solargis використовуються дані геостаціонарних супутників та
метеорологічні моделі. По-перше, за допомогою моделі ясного небо, що враховує
положення Сонця в кожний момент часу, а також вплив висоти, концентрації
аерозолів (часток, що надходять з різних джерел, природних і антропогенних),
змісту водяного пара і озону, розраховується опроміненість ясного неба
(значення у припущенні відсутності хмар). По-друге, дані геостаціонарних
Метеорологічні супутники (з кількох супутників, що охоплюють різні частини
Землі) використовуються для кількісної оцінки ефекту загасання хмар за
допомогою розрахунку індексу хмарності. Обчислена раніше освітленість ясного
неба потім з'єднується з індексом хмарності для отримання значень освітленості
всього небо. Первинне обчислене глобальне горизонтальне опромінення
23
додатково обробляється іншими моделями для отримання прямого та дифузного
опромінення та глобального опромінення на похилих поверхнях (див. рис. П.А.4).
Ці значення коригуються для ефектів затінення від навколишнього ландшафту.
Середній річний прихід сонячної радіації розраховується наступним чином:
Р порівн. рік = �� ср.мн.рок ∗ 365,25 (1.1)
де �� ср.мн.рок - денне середнє багаторічне значення, кВт/день.
• вихідна потужність фотоперетворювачів, кВт*год/кВт пік ;
• повне випромінювання на горизонтальну поверхню, кВт * год / м 2 ;
• нормальне пряме сонячне випромінювання, кВт * год / м 2 ;
• повне сонячне випромінювання для оптимального кута установки
фотоперетворювачів;
1.5 Задача магістерської роботи
У відповідно з оглядовими аналізами і проведеними дослідженнями щодо
використання голограм як концентраторів сонячного випромінювання для
генерації електричної та теплової енергії, необхідно розглянути наступні завдання:
1. Розробка конструкції ДСУ з ГК і моделювання її режиму роботи;
2. Визначення оптимальних конструктивних параметрів та енергетичних
характеристик ДСУ з ЦК на основі математичних моделей;
3. Розробка методики і алгоритму обліку особливостей когенерації, для
техніко-економічного обґрунтування системи енергопостачання локального
споживача на основі ДСУ з ЦК.
Висновок першого розділу
В даному розділі розглянули:
1. Істоичні факти голографічних концетраторів
2. Основні типи та види ГК
3. Область застосування ГК
4. Поставлені задачі до роботи

24

РОЗДІЛ 2. ВИБІР ГОЛОГРАМННОГО
ОПТИЧНОГО ЕЛЕМЕНТУ РОЗРАХУНОК
ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ

МКР 23.144.43 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Півненко РОЗДІЛ 2 ВИБІР ГОЛОГРАМННОГО Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний ОПТИЧНОГО ЕЛЕМЕНТУ РОЗРАХУНОК
ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ
Н. Контр. ЧДТУ, мЗТЕ-88
Затверд. Калейніков
25
2.1. Голограмні оптичні елементи для сонячних фотоелектричних
установок
Голограма – це зареєстрована інтерференційна картина, утворена хвилею від
предмета та опорною хвилею . Щоб отримати голограмні оптичні елементи (ГОЕ),
треба знати, що вони базуються всього на двох фізичних явищах - дифракції і
інтерференції . Дифракція (лат. diffractus - буквально розламаний, переламаний,
обгинання перешкоди хвилями) - явище огинання світловою хвилею перешкоди;
відхилення від законів геометричної оптики під час поширення хвиль. Прояв
дифракції нерідко сприймається як випадок інтерференції обмежених просторі
хвиль. Дифракція хвиль може виявлятися:
• у перетворенні просторової структури хвиль. В одних випадках таке
перетворення можна розглядати як «огинання» хвилями перешкод, в інших
випадках — як розширення кута поширення хвильових пучків або їх відхилення у
певному напрямі;
• у розкладанні хвиль за їх частотним спектру;
• у перетворенні поляризації хвиль;
• у зміні фазової структури хвиль.
Інтерференція – взаємне збільшення чи зменшення результуючої амплітуди
двох чи кількох когерентних хвиль за її накладення друг на друга (Див. Мал. 2.1) .
Фізичний сенс ідеї полягає в тому, що при накладенні двох світлових пучків, за
певних умов виникає інтерференційна картина (ІЧ), тобто у просторі виникають
максимуми та мінімуми інтенсивності світла (див. мал. 2.1). Обидві світлові хвилі
повинні бути узгоджено в просторі і во часу для того, щоб інтерференційна картина
(ІЧ) була стійкою протягом часу, необхідного для спостереження, та її можна було
записати. Такі
узгоджені хвилі називаються когерентними . Будь-яку голограму можна як
результат накладання елементарних голограм, орієнтованих довільно, і
характеризувати набором (спектром) просторових частот.

26

Спостерігання кілець ньютона Кільця Ньютона в зеленому і
Інтерференція виникає при червоному світлі
складанні хвиль, що відбилися від
двох сторін повітряного прошарку.
«Промені» 1 та 2 – напрями
поширення хвиль; h – товщина
повітряного зазору

Малюнок 2.1 Перший експеримент І. Ньютона зі спостереження інтерференції
світла у лабораторних умовах.

Голограмний оптичний елемент та голограмний мікрооптичний елемент
(ГМОЕ) проводиться шляхом запису певного типу голограми в об'ємному
фоточутливому матеріалі Пучок, що падає на такий голограмний елемент, дифрагує
через модуляцію показника заломлення всередині виявлених фоточутливих шарів.
Найбільш підходящою реалізацією голограмного оптичного елемента (як і ГМОЕ)
для використання в сонячних модулях є прості та багаторівневі дифракційні грати
, т.к. голограмні оптичні елементи, виконані по принципом лінз і т.п. і що володіють
оптичної силою, вносять суттєві аберації і спотворюють зображення, що
передається за допомогою системи. Важливим етапом при отриманні голограм для
використання у сонячних модулях є напрями реєструючого середовища щодо
інтерференційної картини (ІЧ), що дозволяють отримувати або пропускають, або
відбивні голограми. При орієнтації реєструючого середовища (РС) таким чином,
що пучки, що інтерферують, падають на її поверхню з одного боку, реєструють так
звані пропускаючі голограми (мал.2.2 (а)).
27
При падінні інтерферуючих пучків на РС з різних сторін зареєстрована
голограма є відбивною голограмою (рис.2.2 (б)), при освітленні якої, дифрагована
хвиля спостерігається в відбитому світлі. На рис. 2.2 (а, б) показано напрямок
поширення хвиль при освітленні тривимірної пропускає і відбивною голограми в
умовах Брегга (θ= θ Бр , I пад - падаюча або відновлююча хвиля, I д - дифрагована,
або відновлена хвиля, I 0 - хвиля нульового порядку дифракції, що пройшла
голограму без зміни напрямку).

Малюнок 2.2 -Схема запису зчитування пропускає голограму (а) і відбивної
голограми
(б). Умови зчитування вказані для тривимірний голограми – єдиний
дифракційний порядок.
Де θ – кут падіння випромінювання на РС,
Т - товщина РС, d - відстань між двома сусідніми максимумами інтенсивності
в реєстрованій інтерференційної картини.
Важливий енергетичний параметр голограми її дифракційна ефективність, що
дорівнює відношенню інтенсивності дифрагованого випромінювання до
інтенсивності падаючого випромінювання . Для амплітудних голограм ця величина
становить лише кілька відсотків, і вони навряд чи цікаві для використання у
геліотехніці. Для фазових об'ємних пропускаючих та відбивних голограм
теоретичне значення дифракційної ефективності 100%, для фазової плоскої
пропускає голограми 33,9%, причому експериментально отримані значення близькі
до теоретичних.
28
При розгляді дифракції на об'ємних пропускаючих голограма необхідно
враховувати, що кожен промінь послідовно розсіюється від великої кількості
періодично розташованих поверхонь максимумів щільності. Щоб амплітуда
результуючої дифрагованої хвилі була максимальною, хвилі, розсіяні
послідовними шарами, мають бути синфазними. Ця умова виконується, якщо
дотримується закону Брегга:
2�� sin �� = ��0/��
Де d - період голографічних ґрат;
Q - кут між предметним пучком та площиною міделя;
0 - довжина хвилі;
n – середній показник заломлення світлочутливого шару.
Дифракційну ефективність 100% для фазових об'ємних голограм можна
отримати лише за дотримання закону Брегга. Відхилення від кута Брегга знижує
дифракційну ефективність. У разі (для сонячних концентраторів) максимальне
відхилення від кута Брегга визначається половиною кутового розміру Сонця
(близько 16 хв). За такого відхилення від кута Брегга дифракційна ефективність
знижується незначно (80%).
Розглянемо роботу ГОЕ у сонячній установці та перебіг випромінювань. ГОЕ,
як було зазначено, є (просту чи багаторівневу) дифракційну решітку. Дифракційна
ефективність ГОЕ має бути максимальною для мінімізації втрат випромінювання,
щоб забезпечити велику кількість відображень випромінювання у платівці.
Дифракційна решітка повинна бути розрахована таким чином, щоб при
попаданні в голограму перші сонячне випромінювання з максимальним діапазоном
спектра відбивались під кутом, що перевищує кут повного внутрішнього відбиття
(ППО), як показано на малюнку 2.3. Далі випромінювання поширюється в скляною
платівці під кутом ППО, як на малюнку 2.3.

29

Малюнок 2.3 - Хід променів в сонячному модулі з застосуванням ГОЕ.
Rпр -прямий прихід сонячної радіації,
R α – СР під кутом,
n1 , n2 -показники заломлення повітря та скло.
Сформулюємо завдання ГОЕ в такий спосіб: ГОЕ ні вносити спотворень у хід
променів, а просто перенаправляти (відбивати) їх, підкоряючись певному закону
(законом ППО), однаковому всім напрямів ходу променів. Також крім змінної
дифракційної ефективності у цьому типі ГОЕ має бути селективність, тобто. ГОЕ
повинен відображати максимум вага спектр сонячного випромінювання. Цим
вимогам відповідають рельєфно-фазові дифракційні решітки, селективність та
оптична сила у яких відсутня, а формула роботи решітки забезпечить
еквівалентність ходу випромінювання.
Таким чином, отримаємо наступну картину (див. мал. 2.3): сонячний промінь
під певним кутом потрапляє на скляну пластину, яка має дуже високу пропускну
здатність (коефіцієнт) без зміни кута потрапляє на поверхню ГОЕ. Після, також
майже без спотворення, відбивається під кутом перевищує граничного кута
повного відображення далі, підкоряючись закону ППО, потрапляє на поверхню
фотоелемента.
2.1.1. Голографічні матеріали для концетрації сонячної енергії
Щоб створити ГОЕ для сонячної енергетики, потрібно враховувати основні
характеристики – світлова hromatic) чи спектральна характеристика сонячного
випромінювання і кутова, не залежно від того що це пропускаюча або відбиває.
30
Важливим фактором залишається і селективність цих характеристик, так як
спектральні характеристики сонячних фотоелементів відрізняються від спектрів
сонячного променя і при попаданні променя на фотоелемент іншими
спектральними характеристиками призводить до його нагрівання. Інакше кажучи,
кожен фотоелемент чутливий до різних довжин хвиль (див. мал. 2.4.). Для нашого
випадку важлива лише кутова селективність, т.к. використовуватимемо систему
охолодження для фотоелементів. Крім того, великий діапазон спектру необхідний
для мультиплексування кількох голограм з різними напрямками запису. ГОЕ
можуть працювати як сонячні концентратори, але з урахуванням додаткових
параметрів – склад та товщина світлочутливого матеріалу, геометрії запису та
просторової частоти .
Застосування голографії для концентрації сонячного випромінювання
(голокон) розглядалося ще в 80-х роках ХХ століття, але через низькі технічні
характеристики та інші складності для масштабного виробництва стало причиною
відмови від цією системи. Розвиток теоретичних моделей формування голограм у
фотополімерних матеріалах розглянуто авторами моделі нелокальної полімеризації
в огляді .
Щоб отримати голограму, потрібен фотореєструючий матеріал (ФРМ)
(реєструюче середовище). Для запису голографічних лінз в як сонячних
концентраторів є два види ФРМ - біхромований желатин (dichromated gelatin) і
фотополімери (photopolymers). Обидва цих
Однолінійну схема установки наведено на рис. 2.1, зовнішній вигляд установки
та її окремих компонентів – на мал. 2.2.
Матеріали виробляються в промисловому масштабі і навіть можна зробити
самому. Обидва типи матеріалів були вивчені та охарактеризовані як реєструючі
матеріали (середовища) з широким фотоспектром.
Використання в установці фотоелектричних модулів з двосторонньою
світлочутливістю було обумовлено їх відносно високим ККД (більш 16%), що
досягається за рахунок прозорості для інфрачервоного випромінювання, що
критично у зв'язку з впливом температури модуля на ефективність сонячної
31
генерації (рис. 2.3). Завдяки цьому модулі менше нагріваються в процесі
експлуатації та мають менші втрати.

Малюнок 2.4 Спектральні характеристики сонячних фотоелектричних
елементів у відсотковому співвідношенні приходу сонячної радіації.
Голографічні фотополімери – це нова технологія створення пасивних
дифракційних оптичних елементів (ДОЕ) методом чистого лазерного
інтерференційного запису. Однією з таких голограм є плівка BayfolHX, яка широко
використовується на даний момент. Фотополімерні матеріали, являють собою
багатокомпонентну суміш органічних речовин, нанесену у вигляді аморфної плівки
товщиною 10-150 мкм на скляну або плівкову підкладку. Фотополімерні плівки
менш дорогі, ніж кристали ніобату літію, менш громіздкі та мають по суті велику
величину зміни коефіцієнта заломлення, що призводить до більших значень
дифракційної ефективності та більшої яскравості голограми. Однак, з інший
сторони, ніобат літію, через його товщин, здатний зберігати більші обсяги
інформації, ніж фотополімерні плівки товщини яких обмежені. Оскільки
фотополімери не мають зернисту будову, то роздільна здатність такого матеріалу
достатня для надщільної запису інформації. Чутливість фотополімеру можна
32
порівняти з чутливістю фотохромних кристалів. Записані голограми є фазовими,
що дозволяє одержувати високу дифракційну ефективність. Такі матеріали
дозволяють зберігати інформацію тривалий час, стійкі до впливу температур, а
також відрізняються покращеними оптичними характеристиками.

2.1.2. Методи розрахунку основних параметрів оптичних елементів
розрахунок та визначення основних параметрів голографічної плівки (марка,
товщина, кут ППО, параметри ГОЕ) при дотриманні вище наведених вимог. Для
початку, визначимо кут повного внутрішнього відбиття (ППО), що покаже, під
яким кутом голограма має відбивативипромінювання.
��1 1
∝ППО= ������������ ∗ ( ) = ������������ ∗ ( ) , (2.1)
��ст ����т
де n ст і n 1 – показники заломлення скла та середовища, з якого промені
сонця потрапляють у скло. У нашому випадку середовищем між голограмою та
склом є повітря, де показник заломлення дорівнює n1=nвоз=1. Отже, залежність
кута ППО від показника заломлення наведено у малюнку 2.5.

1,2 1,25 1,3 1,35 1,5 1,55 1,6 1,65

Малюнок 2.5 -Залежність кута ППО від показника заломлення скла.
ГОЕ буде дифракційною решіткою (ДР). Важливим параметром для ДР – це
їхній період. Тому для визначення періоду ДР запишемо формулу, коли світло
33
потрапляє на поверхню ґрат під певним кутом (рис. 2.6):

�� виріш ∗ ( �� ст ∗ ������ ∝ +�� 1 ∗ �������� ) = �� ∗ �� (2.2)

де n ст – показник заломлення скла (змінюється залежно від марки від 1,4 до
2,2); n 1 =1 – показник заломлення повітря; �� - кут дифракції на ґратах; �� – кут
поширення випромінювання у платівці; �� =532 нм – довжина хвилі
випромінювання, m – порядок максимуму, тобто порядковий номер максимуму,
відрахований від центру картинки (рис. 2.6).
��
��вир =
��ст ∗ �������� + ��1 ∗ ��������
Формула розрахунку періоду ДР для оптичних, що відображають і
пропускають елементів однаковий, але розгорнуті друг щодо друга на 90
градусів.
Малюнок 2.6 -Схема роботи дифракційних решіток, а - пропускна (прозора),
б - відбиває.
Враховуючи той факт, що сонячна радіація поширюється на пластину під
кутом ППО, отримаємо наступне вираз:
�� ст ∗ ������ ∝ ≥ �� 1
З виразу 2.3 та 2.4 отримаємо формулу для визначення періоду решітки:
34
��
��вир =
1 + ��������������
З формули 2.2 та 2.5 можна визначити максимальний кут потрапляння
сонячного променя на поверхню ДР у градусах:

(��⁄�� ) + ��������������
вир 1 + 2 ∗ ��������������
������ �������� = =
��ст ��ст
1 + 2 ∗ ��������������
�������� = ������������ ∗ [ ]
��ст

Визначимо відстань між сусідніми пере відображеннями променя:

�� �� = 2 ∗ ��тп ∗ ���� ∝������

де �� �� – відстань між сусідніми пере відображеннями променя, ��тп – товщина
пластинки, ∝������ - максимальний кут входу променя у світловод, який
визначається за формулою 2.7.

Середа Температура, град nст
ЛК3 (Легкий крон) 20 1,4874
К8 (Крон) 20 1,5163
ТК4 (Важкий крон) 20 1,6111
СТК9 (Надважкий крон) 20 1,7424
Ф1 (Флінт) 20 1,6128
ТФ10 (Важкий флінт) 20 1,806
СТФ3 (Надважкий флінт) 20 2,1862

Таблиця 2.1. Показники заломлення оптичного скла для довжини хвилі 589,3
нм.
2.2.Моделювання товщини голограми
Ще одним важливим параметром голограми є товщина голограми. Буває
об'ємні і плоскі, якщо товщина фоточутливого шару значно більше відстані між
сусідніми поверхнями інтерференційних максимумів, то голограму слід
розглядати як об'ємну. Якщо ж запис інтерференційної структури відбувається на
35
поверхні шару, або якщо товщина шару можна порівняти з відстанню d між
сусідніми елементами структури, то голограми називають плоскими. Простий
спосіб встановити, чи можна голограму вважати "об'ємною", полягає у
використанні простого вираження :
��
> 10(2.9)
��вир
Де �� – товщина голограми, ��вир – період. Формула показує "плоска" або
"об'ємна" голограма безпосередньо з товщиною решітки та її ставленням до
періоду решітки.
Об'ємні голограми є тривимірними структурами, в яких поверхні вузлів і
пучностей зареєстровані у вигляді варіацій показника заломлення або коефіцієнта
відображення середовища. Об'ємна голограма вважається функціонуючої за
умови Брегга, якщо вона задовольняє умові Клейна, який у 1966 році визначив:
��
≥ 10
2��
Де параметри �� та �� визначаються наступним чином:
2π��0��
�� =
�� ��2
0 вир��������

����1��
�� =
��0��������

Де �� = �� 0 − довжина хвилі випромінювання (нанометр), n 0 та n 1 -
середній показник заломлення шарів. У результаті складаючи рівняння 2.11 і 2.12
отримаємо наступне вираз:

2��0
≥ 10
�� �� ��2
1 0 вир

Таким чином, �� > 2��, то голограма вважається об'ємною, якщо �� < 2��, то
голограма вважається плоскою.
36

2.2.1. Вибір методу для аналізу кутів падіння і дифракції

Існують різні методи для аналізу дифракції оптичного випромінювання на
ГОЕ, такі як метод пов'язаних хвиль, метод кінцевих елементів,
мають свої переваги та недоліки. Слід також зазначити, що всі викладені
методи не враховують специфіку задачі дифракції на ГОЕ, що має зонну
структуру, що дозволяє спростити розв'язання задачі дифракції порівняно із
загальним випадком. І, крім того, дані методи не враховують специфіку
отримання оптичного елемента, що синтезується.
Чисельні методи вирішення рівнянь Максвелла дають можливість аналізу
дифракції оптичного випромінювання на ГОЕ, але мають низку недоліків.
Наприклад, недоліки в різницевому методі розв'язання рівнянь Максвелла -
складність обчислення алгоритму та не адаптована для вирішення стаціонарних
завдань дифракції. Перевагою цього є універсальність.
Асимптотичні та ітераційні методи, також застосовні для рішення завдання
дифракції, але в середовищі з повільно змінним показником заломлення.
Необхідно відзначити, що асимптотичні методи, які використовуються для
вирішення задач дифракції воптиці, були розроблені без обліку специфіки
дифракції когерентного випромінювання на ГОЕ.
Рішення завдання розрахунку основних параметрів ГОЕ в широкому
діапазоні кутів падіння знаходять в ітераційному методі , обліком деяких
критеріїв оптимізації та технологічних обмежень, що накладаються на
можливість виготовлення ГОЕ. Також необхідновраховувати максимально
широкий спектр сонячного випромінювання, що відповідає спектральній
характеристикі фотоелементів (див. мал.2.4).

37

Малюнок 2.7 -Діапазон кутів роботи гібридної сонячної установки.
Наведені рівняння 2.14 та 2.15 описують ітеративний двопараметричний
алгоритм розрахунку ГОЕ.
����(��, ��)
����+1 = [1 − �� ⋅ (�� + �� ⋅ ��(��, ��))] ⋅ ���� + �� ⋅ |��0(��, ��)| ⋅
|����(��, ��)|
����(��, ��) = ℑ�� −1
������ ����(��, ��)

де ����(��, ��)– комплексна амплітуда на n – му кроці, після заміни (2.14)

��, (��, ��) ∈ Ω
�� ��
�� {
0, (��, ��) ∉ Ω��
��(��,��)
Ω�� – форма апертури ГОЕ; ����(��, ��) = |��0(��, ��)| ∙ – оператор
|��(��,��)|
присвоєння заданої амплітуди |��0(��, ��)|, освітлювального пучка комплексної
функції ��(��, ��), описуючого світлове поле в площині ГОЕ.

Теорія дифракції комплексної амплітуди світла в площині оптичного
елемента
��(��. ��) = ��(��. ��) ∗ ����∗��(��.��)

пов'язана з комплексною амплітудою хвилі,
��(��, ��) = ��(��, ��) ∗ ����∗��(��,��)
38

у площині постереження, у якій формується необхідне розподіл
інтенсивності ��0(��, ��)
через інтегральне перетворення типу згортки:

−���� ∞ ∞
��(��, ��) = ⋅ �������� ∫ ∫ ��(��, ��) ⋅ ��(�� − ��, �� − ��, ��)��������
2���� −∞ −∞
де
����
��(�� − ��, �� − ��, ��) = exp [ ⋅ {(�� − ��)2 + (�� − ��)2}]
2��

Ядро перетворення називається функцією імпульсного відгукувільного
простору наближенні Френеля, z - це відстань між ГОЕ та площиною
спостереження, �� = 2 ��⁄��.
Максимальна висота рельєфу складає:
��
ℎ������ =
�� − 1
де n – коефіцієнт зламу матеріалу підкладки ДОЕ.
Висота рельєфу визначається функцією:
�� 1
ℎ(��, ��) = ������ ��(��, ��)
�� − 1 2π 2π
Зазначений ітеративний алгоритм включатиме наступні кроки:
1. вибирається початкова оцінка фази ��0(��, ��);

2. здійснюється інтегральне перетворення функції �� (��, ��)����∙��0(��,��)
0 за
допомогою рівняння (2.19);

3. результуюча комплексна амплітуда ��(��, ��) площині формування
зображення замінюється на ��(��, ��) по правилу

?̅?(��, ��) = ��0(��, ��)��(��, ��)|��(��, ��)|−1
39

де
��0(��, ��) = √І0(��, ��)
4. обчислюється перетворення, зворотне (2.18, 2.19) щодо функції
��(��, ��):

−���� ∞ ∞
��(��, ��) = ⋅ ��−������ ∫ ∫ ?̅?(��, ��) ⋅ ��∗(�� − u, �� − v, ��)��������
2���� −∞ −∞

5. отримана комплексна амплітуда ��(��, ��) в площині ГОЕ заміняється
на ?̅?(��, ��) по правилу:

��0(��, ��) ∙ ��(��, ��)|��(��, ��)|−1,
?̅?(��, ��) = { (��, ��)����
0, (��, ��) ∉ ��

де Q – форма апертури ГОЕ
6. перехід до крокроку 2.
Ця процедура повторюється доти, доки доданок 2.28 не перестане
значно змінюватись.
Профіль ГОЕ визначається фазовою функцією, наведеною до
інтервалу 2��:

Ф(��, ��) = ������2π��(��, ��)

Максимальна висота рельєфу складає:

��
ℎ������ =
�� − 1

де n – коефіцієнт зламу матеріалу підкладки ДОЕ.

Тобто висота рельєфу визначається функцією:

�� 1
ℎ(��, ��) = ������ ��(��, ��)
�� − 1 2π 2π
графіки функцій φ(x,y) і Ф(x,y) представлені на мал 2.9
40

Малюнок 2.8 -фазові функції Ф(x,y). Зверху – приведена до інтегралу 2π, знизу -
безперервна вихідна.
Фазові функції φ(x,y) і Ф(x,y)мають осьову симетрією.
Апроксимуюча функція в циліндричній системі координат:
2��
��(��) = − √��2 + ��2
�� 0
де ρ – полярна координата в площині Оxy
�� = √(�� − �� )2
0 + ��2
Миттєва частота функції Ф (р)
1 1 ��
Ф (р) = = ��(��);
Т(��) 2�� ����
1 ��
��(��) = .
�� √��2 + ��2
0
Функція наближаюча Ф(р):
1
Φ��������(��) = −�� ( + co s[2�� ⋅ ��(��) ⋅ ��]) ;
53
2�� ��2
Φ��������(��) = −�� (1 + co s [ ]) .
�� √��2 + ��2
0
В декадній системі координат:
2�� (�� − �� )2 + ��2
Φ�������� 0
(��, ��) = −�� (1 + cos [ ])
�� √(�� − �� 2
0) + ��2 + ��2
0
41
Малюнок 2.9 Фазові функції Ф (��, ��) і Φ��������(��, ��). Зверху апроксимуюча
квазісинусоїдальна, знизу вихідна шматочно - безперервна. найденої чисельно з
використанням алгоритму швидкого перетворення Фур'є .

2.2.2. Розрахунок ефективності роботи голографічних елементів
Розглянемо еіективність ГОЕ запропоновану М.Р Бавіним [40] і інші вже
існуючі ГОЕ. Приводимо спектр комплексної амплітуди світлової хвилі,
знайденої
числено з використанням алгоритму швидкого перетворювання Фур’є.
?̃?(����
�� , ����
�� ��) = ?̃?(����, ����
�� �� ��) ∙ ��������,��

Де DFTp,q (2.35) – дискретне перетворення Фур’є, ����, ����
�� �� – (2.36) сітка
просторових частот.
1 2��
��������,�� = ∑ ∑ ��sample
��,�� exp [−�� (�� ⋅ �� + �� ⋅ ��)]
��2 ��
�� ��
1 �� 1 1 �� 1
����
�� = ( − ); ����
�� �� 2 �� = ( − );
�� �� 2
~
��сп(����, ����, ��) = exp [������√1 − (���� 2 2
��) − (������) ];
��(��, ��, 0) = exp [����√(�� − �� )2
0 + ��2 + ��2
0 ];
�� ��
��(��, ��) = exp [��Φ��������(��, ��)]rect ( , ).
���� ����
42
де p= 0..N – 1; q = 0..N -1
Результат інтерполяції бікубічним сплайном можна одержати у графічному
вигляді.
Підсумкова спектральна характеристика запропонованої ГОЕ у роботі,

ККД ГОЕ

Малюнок 2.10 - ККД ГОЕ залежно від довжини хвилі падаючого
випромінювання при освітленні, що падає нормалі до поверхні.

Малюнок 2.11 - ККД ГОЕ залежно від кута падіння випромінювання.

43

Малюнок 2.12 – Порівняльні графіки спектральної ефективності різних СФЕУ
на основі голографічних концентраторів.
На мал. 2.12 наведено порівняльні графіки спектральної ефективності, що
розробляється сонячною фотоелектричною установкою (СФЕУ), типу «Голокон»
та СФЕУ, розробленою фахівцями американської компанії «Prism Solar
Technologies». Як бачимо, спектральна характеристика ГОЭ, значно перевершує
наявні аналоги. Також наведемо спектральну характеристику відбивних ГОЕ на
основі ДР від американської компанії Thorlabs на мал. 2.13.

Малюнок 2.13 - ГОЕ, що відображає, з дифракційними гратами (штрихова),
600 штр./мм.
44

Висновок розділу

1. Вибрано оптимальний голографічний оптичний елемент для
застосування в гібридній сонячній установці та інших сонячних фотоелектричних
установках.
2. Наведено методика розрахунку голограмних оптичних елементів для
фотоелектричних установок.
3. Визначено основні енергетичні показники роботи голографічного
оптичного елемента у складі сонячної фотоелектричної установки.

45

РОЗДІЛ 3. МОДЕЛЮВАННЯ І РОЗРОБКА РЕЖИМУ
ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ УСТАНОВКИ

МКР 23.144.43 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Півненко.А.О Літ. Арк. Акрушів
Перевір. РОЗДІЛ 3 МОДЕЛЮВАННЯ І РОЗРОБКА
Плахотний.О
РЕЖИМУ ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ
УСТАНОВКИ
Н. Контр. ЧДТУ, мЗТЕ-88
Затверд. Калейніков
46
3.1. Розрахування енергетичних елементів СФЕУ

Є набір специфічних параметрів та характеристик сонячного елемента (СЕ),
що дозволяють проводити порівняльну оцінку різного типу СЕ або загалом СМ та
дати оцінку ефективності роботи РМ за різних умов. До спеціальних
характеристик відносяться вольт амперна характеристика (ВАХ, див. мал. 3.4),
вольт-ватна (ВВХ, мал. 3.5) і спектральна характеристика, а до спеціальних
параметрів відносяться ККД (ефективність), ƒƒ (фактор заповнення), Uxx
(напруги холостого) ходу), I КЗ (струм короткого замикання) або J ПТКЗ
(щільність струму короткого замикання).
Вольтамперна та вольт-ватна характеристика СЕ. Фізичні основи роботи
СЕ представлені на наступною еквівалентної електричної схеми, показаної
малюнку (3.1.) Вольтамперна (ВАХ) та вольт-ватна характеристика (ВВХ) для
представленої моделі електричної схеми сонячного елемента можна отримати в
результаті розрахунків, згідно з залежностями 3.3-3.4 (див. мал. 3.2). Для
отримання ВАХ та ВВХ скористаємося програмою Simulink.

Малюнок 3.1 – Реальна електрична схема заміщення сонячного елемента.
R п -послідовний опір; R ш- шунтуючий опір.
�� н = �� ф − �� д − �� ш
де Iф - Струм фотонів, що залежить від щільності потоку випромінювання, А; Iд -
Струм, що протікає через ідеалізований pn-перехід, A;
47
I н - струм навантаження, A;
V- Вихідна напруга, В;
I 0 - Струм насичення, A;
q - величина заряду електрона = 1,61022 · 10 - 19, Кл;
k - постійна Больцмана = 1,38 · 10 -23 , Дж / К = 0,86 · 10 -4 , ЕВ/К;
Т - абсолютна температура, 0 С;
А - параметр вольт-амперної характеристики pn переходу, о.
n се - кількість СЕ, шт;
U СЕ - напруга СЕ, В;
I СЕ - Струм СЕ, А;
Rп - залежить від технології виготовлення СЕ та сильно впливає на його
характеристики. При зменшенні Rп збільшується потужність Pmax . Чим більше R
ш , тим більша потужність P max .
Як видно з формули 3.1, струм навантаження I н складається з струму,
згенерованого світловим потоком (фотонів) I ф за мінусом невеликого діодного
струму I д і струму витоку I ш (шунтуючий струм). Послідовний опір R п
представляє собою опір елемента поточному струму і залежить від глибини p−n
переходу, домішок та опору контактів. Опір шунта R ш назад пропорційно струму
витоку в землю. В ідеальній фотоелектричної осередку R п = 0 (ні втрат) і R ш = ∞
(ні витоку в землю). Для отримання залежності напруги холостого ходу (U хх ; В)
та струму короткого замикання (Iкз; А) від температури скористаємося нижче
наведеною формулою (див. рис. 3.3 - 3.4).
�� хх (Т) = �� хх (1 + �� �� ( Тос − Т СУІ )
хх _

де U хх - напруга холостого хода при температури 25 0 С, В;
�� �� ≈ -0,36099 - температурний коефіцієнт U хх , % / 0 C - (значення з
паспорта сонячного модуля);
Т ОС – температури довкілля, 0 З;
Т СУІ = 25,0С - стандартні умови випробувань для сонячного модуля
(StandardTestConditions (STC)).
�� кз (Т) = �� кз (1 + �� �� кз ( Тос
_ − Т СУІ )
48
де I кз - Струм короткого замикання при температурі 25 0 С, А;
α Iкз ≈0,102 - температурний коефіцієнт струму КЗ, %/ 0 C (значення з
паспорти сонячного модуля).
Потужність фотоелемента можна отримати, помноживши струм короткого
замикання та напругу холостого ходу (див. формулу 3.5). Кількісно вплив
температури на значення потужності, що видається, можна оцінити, досліджуючи
по окремості залежності струму і напруги від температури. Для отримання
потужності фотоелемента на пряму залежить від температури поверхні
фотоелемента скористаємося формулою 3.6. При збільшенні
температури на величину:
 Т отримаємо зміну потужності СЕ (див. мал.3.5)

Рмакс = ��макс ∙ ��������

�� см = �� макс ∗ (1 + (�� �� − �� �� ) ∗ ∆��) = Р макс ∗ (1 − 0.0045 ∗ ∆��)

�� кз ( Т ) = �� макс , �� хх (Т) = �� макс - струм короткого замикання та
напруга холостого ходу при температурі поверхні сонячного модуля (СМ) Т см ,а K
I та K �� − їх відповідні температурні коефіцієнти (0,06% та 0,51%)
P см - потужність СМ,
P макс - потужність СЕ при 25 ° С (з паспортних даних);
 Т = (Т см - 25) - Збільшення температури,
Т см - температура СМ (див. формулу 3.41-3.43).
Вираз 3.6 показує, що збільшення робочої температури фотоелемента на 1 °С
наводить до зниження видається потужності на 0,45 %. При підвищенні
температури 1 ° С струм збільшується 0,06% і зменшується напруга 0,51%. На
рисунках 3.4, 3.5 зміни енергетичних параметрів СЕ у разі підвищення температури
49
в ідеальних та реальних умовах. Потужність СМ можна отримати ще за наведеною
нижче формулою 3.7:
Р СМ = �� �� ∗ �� СМ ∗ �� см ∗ �� см
де R Ʃ - сумарний прихід сонячної радіації на 1м2 , Вт/ м2 ;
F см – площа сонячного модуля (Див. формули 1.1 і 1.2), м 2 ;
n см - кількість сонячних модулів (СМ), шт; ƞ см – ККД сонячного модуля, о.
Формула залежності ККД СМ від температури поверхні СМ наведено нижче. (Див.
формулу 3,48).
Як видно з формули 3.1-3.4, електричні параметри фотоелемента залежать від
умов навколишнього середи (прихід СР, температура о.с.), тому розглянемо прихід
СР на поверхню класичного фотоелемента (без голограми) та з урахуванням
голограми.

3.1.1. Розрахунок приходу сонячної радіації на поверхню
фотоперетворювача
Кліматологічні довідники та бази даних дають значення середніх
багаторічних вимірів годинних приходів прямої та дифузної сонячної
радіації на горизонтально орієнтований приймальний майданчик, тобто. для
визначення приходу сонячної радіації (СР) на довільно орієнтований
майданчик потрібна методика перерахунку годинникових значень з
горизонтально орієнтованого майданчика на похилий.
Вихідними даними для перерахунку приходу СР з горизонтальною на
довільно орієнтований приймальний майданчик є:
��г
�� - вихід питомої сумарної СР на горизонтальний приймальний майданчик
[кВтч/м2];
��г
�� - прихід питомої дифузної СР на горизонтальний приймальний майданчик
[кВтч/м2];
�� - альбедо - відбивна здатність поверхні землі, о.
50
�� - широта місцевості в розрахунковій точці (у градусах);
�� - довгота місцевості в розрахунковій точці (у градусах);
�� – кут нахилу приймального майданчика до горизонту (у градусах);
�� - азимут - кут відхилення приймального майданчика від південного напрямку (у
градусах) (східний напрямок з мінусом).
Сонячна радіація приходячи на примірочну довільна орієнтований
майданчик, розташований на поверхні землі, для будь-якого розрахункового
інтервалу часу знаходиться за формулою

���� ���� ���� ����
��Σ = ��рп + ��Д +��отр

����
де ��рп – пряма сонячна радіація - потік випромінювання, що надходить
безпосередньо від сонячного диска. Пряма СР перераховується з горизонтальної
поверхні на похилу для розрахункового інтервалу часу рівної годині за формулою:

����
�� = (��Г + ��Г
пр Σ Д) ∙ Кпр

Де - К_пр коефіцієнт, що характеризує відношення приходів вартовий
прямий СР на довільно орієнтовану та горизонтальну майданчик, даний
коефіцієнт
визначається за формулою:
βγ
∫ (RΠP(t) dt
Tβγ
KΠP =
∫ (RГ
TΓ ΠP(t) dt
βγ
де R , RГ
ΠP ΠP - приходи прямої сонячної радіації на довільно орієнтовану та
горизонтальну майданчики відповідно;
ТβγТГ- розрахунковий період часу для довільно та горизонтально
орієнтованих приймальних майданчиків відповідно (1 година на повні світлові
години дня і менше однієї години в години сходу і заходу сонця, при цьому різні,
51
т.к. для горизонтальної та довільно орієнтованої площині Сонце сходить або
заходить не одночасно),
t - поточний час діб.
Прихід прямої СР залежить від кута падіння прямих сонячних променів на
приймальний майданчик для горизонтально орієнтованого майданчика
формулою (3.10):
����
��пр = ��0 ����
пр ∙ ��������
��Г 0 Г
пр = ��пр ∙ ��������

де ��0
пр - прихід прямої СР на майданчик орієнтований на Сонце, так що кут
падіння сонячних променів до нормалі майданчика дорівнює нулю;
���� та ��Г - кути падіння прямих сонячних променів щодо нормалі на довільно
орієнтовану та горизонтальну приймальні майданчики відповідно.
Косинус кута падіння прямих сонячних променів на довільно орієнтований
майданчик визначається за формулою:
cos ������ = �� + �� ⋅ cos �� + �� ⋅ sin ��
де А = (������ �� ⋅ cos �� + cos �� ⋅ sin �� ⋅ cos ��) ⋅ sin ��
�� = (cos �� ⋅ cos �� + sin �� ⋅ sin �� ⋅ cos ��) ⋅ cos ��

�� = sin �� ⋅ sin �� ⋅ cos ��
де (φ - широта місцевості; ψ - довгота місцевості; β - кут нахилу приймального
майданчика до горизонту; γ - азимут приймального майданчика; δ - відмінювання
Сонця, ω - кутовий кут сонця.
Відмінювання Сонця визначається за формулою:

360 ⋅ (284 + ��)
�� = 23,45 ⋅ sin ( )
365
де n – номер доби на рік; константа 23,45 - нахил осі обертання Землі до
нормалі площини своєї орбіти навколо Сонця.
52
Для горизонтально орієнтованого майданчика азимут та кут нахилу рівні
нулю, отже, косинус кута падіння прямих сонячних променів визначатиметься за
формулою:

cos ��Γ = sin �� ⋅ sin �� + cos �� ⋅ cos �� ⋅ cos ��
Годинний кут сонця (у градусах) визначається за такою формулою:
�� = 15 ⋅ (�� − ����)
де t_n – полуденний час (12 годин), t – поточний час, при цьому потрібно
сказати, що тут і надалі в цьому розділі під часом буде матися на увазі сонячний
астрономічний час без урахування територіальних особливостей розташування
часових поясів, т.к. спостереження у кліматологічних довідниках та базах даних
наводяться саме для астрономічного сонячного часу, а місцевий час буде
враховуватися безпосередньо під час розрахунку енергетичного балансу
споживача, що буде сказано пізніше.

∫ 0
����(��Π��(��) ⋅ cos ������(��)) ���� ∫ ���� cos ������(��)����
�� ��
Π�� = = ��
∫ Γ(��0
Π��(��) ⋅ cos ��Γ(��)) ���� ∫ Γ
Γ cos �� (��)����
�� ��

Так як кут падіння сонячних променів на приймальний майданчик залежить від
годинникового кута Сонця, який є лінійною функцією за часом, формулі (3.17)
робимо заміну змінною:
��
�� = + ��
15 ��
��
���� = ��( + �� ) = ����
15 ��

і підставляючи (3.18) (3.19) отримуємо вираз:

∫ cos ������
���� ����
�� Ω
Π�� =
∫ Γ cos ��Γ ����
Ω
53
де Ω���� , ΩΓ - розрахунковий період часу, виражений у градусах (15°повний
світловий годинник дня і менше 150 у години сходу і заходу Сонця, т.як. 1
годину = 15°).
Користуючись формулами (3.13) та (3.15) отримуємо:
��
�� ��
��2
∫ ����(�� + �� ⋅ cos �� + �� ⋅ sin ��)���� ( ⋅ �� ⋅ �� + �� ⋅ sin �� − �� ⋅ cos ��)|
180 ����
��
�� Ω 1
Π�� = = ��
∫ �� ��
ΩΓ(sin �� ⋅ sin �� + cos �� ⋅ cos �� ⋅ cos ��)���� ( ⋅ �� ⋅ sin �� ⋅ sin �� + cos �� ⋅ sin �� ⋅ cos ��)| 2
180 ����
1
���� ����
де �� Г Г
1 , ��1 і ��2 ��1 - початкові та кінцеві значення годинного кута Сонцяу
розрахунковому нтервалі часу, для довільно та горизонтальноорієнтованих
приймальних майданчиків відповідно.
В зультаті інтегрування та підстановки меж інтегрування,отримуємо, що
відношення приходів годинної прямої СР на довільне ігоризонтально орієнтовані
майданчики визначається за такою формулою:
���� ���� �� ���� ���� ���� ����
(sin ��2 − sin ��1 ) ⋅ �� + ⋅ (��2 − ��1 ) ⋅ �� − (cos ��2 − cos ��1 ) ⋅ ��
�� = 180
Π��
(sin ��Γ − sin ��Γ ��
2 1 ) ⋅ cos �� ⋅ cos �� + ⋅ (��Γ
2 − ��Γ
1 ) ⋅ sin �� ⋅ sin ��
180
Формулу для розрахунку годинникових кутів сходу та заходу Сонця на
горизонтальній площадці, отримуємо прирівнявши формулу (3.15) до нуля,
тобто. визначаємо такі кути, при яких кут падіння на майданчик дорівнює 90°
отже cosϑГ = 0:
sin �� ⋅ sin �� + cos �� ⋅ cos �� ⋅ cos �� = 0
��Γ
3 = +arccos (−tg �� ⋅ tg ��)
��Γ
�� = −arccos (−tg �� ⋅ tg ��)
Аналогічно складаємо рівняння для визначення кутів сходу та заходу Сонця на
довільно орієнтованому майданчику, прирівнявши формулу (3.13) до нуля:
�� + �� ⋅ cos �� + �� ⋅ sin �� = 0
для вирішення рівняння (3.22) робимо тригонометричне перетворення
�� ��
2 ⋅ tg 1 − tg2
sin �� = 2 2
2 �� иcos �� = ��
1 + tg 1 + tg2
2 2
та заміну змінної:
54
��
�� = tg
2

в результаті отримуємо рівняння:

1 − ��2 2 ⋅ ��
�� + �� ⋅ + �� ⋅ = 0
1 + ��2 1 + ��2

після перетворення рівняння (3.26) отримуємо квадратне рівняння:

(�� − ��) ⋅ ��2 + 2 ⋅ �� ⋅ �� + (�� + ��) = 0

коріння рівняння (3.27):

−2 ⋅ �� ± √4 ⋅ ��2 − 4 ⋅ (�� − ��) ⋅ (�� + ��)
�� =
2 ⋅ (�� − ��)

в результаті зворотної заміни змінної (3.25) у виразі (3.28) отримуємо:

−�� + √��2 − ��2 + ��2
���� = 2 ⋅ arctg ( )
�� − ��
−�� − √��2 − ��2 + ��2
��3 = 2 ⋅ arctg ( )
�� − ��

але так як схід Сонця на довільно орієнтованому майданчику не може
відбутися раніше, ніж на горизонтальній, через обмеження видимості по
горизонту, то остаточно годинний кут сходу Сонця:

2 2 2
���� −�� + √�� − �� + ��
�� ��
�� = ������[����; 2 ⋅ arctg ( )]
�� − ��

аналогічно годинний кут заходу Сонця:
2 2 2
���� −�� − √�� − �� + ��
��3 = ������[��Γ
3; 2 ⋅ arctg ( )]
�� − ��

55
У результаті отримуємо, що початкові та кінцеві значення годинного кута
Сонця в розрахунковому інтервалі часу рівного одній годині, для довільно
та горизонтально орієнтованих приймальних майданчиків, обмежених
умовами сходу та заходу Сонця на горизонтальній площині,
визначаються за формулами:

���� ���� ����
��1 = ������(��3 ; ������(���� ; 15 ⋅ (��1 − 12)))
���� ���� ����
��2 = ������(��3 ; ������(���� ; 15 ⋅ (��2 − 12)))

��Γ
1 = ������(��Γ
3; ������(��Γ
��; 15 ⋅ (��1 − 12)))
��Γ
2 = ������(��Γ
3; ������(��Γ
��; 15 ⋅ (��2 − 12)))

де t1 і t2 - початковий та кінцевий момент часу в розрахунковому інтервалі.
Формула (3.21) універсальна та застосовна для будь-якої довільної
орієнтації приймального майданчика та для будь-якого розрахункового
інтервалу часу.
����
��Д - дифузна сонячна радіація - випромінювання, що надходить від решти
частини небозводу, тобто. це СР відображена від хмар і частинок води та пилу,
виважених в атмосфері Землі. Формула для перерахунку приходу дифузної
СР з горизонтальної поверхні на похилий, для будь-якого інтервалу
часу:
���� ��
�� = ��Γ
Д Д ∗ (1 − )
180

����
��від - відбита сонячна радіація - випромінювання, що надходить відповерхні землі.
Вираз визначення відбитої сонячноїрадіації на довільно орієнтованому майданчику
виглядатиме так:
���� 1
�� Γ
отр = ��Σ ∗ �� ∗ ∗ sin ��
2

У результаті отримуємо, що сумарна сонячна радіація, яка приходить надовільно
орієнтований приймальний майданчик, розташований на поверхні землі, для будь-
якого інтервалу часу, визначається за формулою:

56
����
�� = (��Γ − ��Γ �� 1
Σ Σ Д) ∗ K Γ
пр + ��Д ∗ (1 − ) + ��Γ ∗ �� ∗ ∗ sin �� (3.39)
180 Σ 2
Але формулу 3.39 можна застосувати лише для фотоелектричних
установок без голографічних концентраторів Для розрахунку приходу сонячної
радіації на поверхню фотоелемента із застосуванням голографічної голограми
скористаємося формулою 3.40.

Малюнок 3.2 - Вид голографічного сонячного модуля в розрізі
Rсум - сумарна сонячна радіація;
Коп - оптичний коефіцієнт провідності полі карбонатного шару;
Кем - коефіцієнт емісії голографічної плівки до;
Ккон - коефіцієнт концентрації;
Сумарна (пряма, розсіяна, відбита) сонячна радіація (СР) R , Вт/m 2
сум
проходить через шар полікарбонату (див. рис.3.2) і потрапляє на
голографічну плівку із щільністю Rгп=дооп *R сум (к оп = 0 96 - оптичний
коефіцієнт провідності полікарбонатного шару). При відображенні від
голографічної плівки щільність енергії знижується на величину коефіцієнта
емісії голографічної плівки Rем=к ем *к оп *R сум (к ем =0,97). Зважаючи на
коефіцієнт концентрації до кон , пов'язаний зі ставленням поверхні
голографічної плівки і фотоелектричного перетворювача (ФЕП) до кон = S гп /
57
S феп . Де S гп -площа поверхні голографічної плівки і S феп -площа поверхні
ФЕП. Сумарна концентрована сонячна радіація R 2
кон (Вт/m ), що потрапляє
на поверхню ФЕП (дотримуючись закону ППО), дорівнює :
����оH = ��оп ⋅ ��сум + Kоп ⋅ Kэм ⋅ ��cyм = ��cyм ⋅ Kоп ⋅ (1 + ��эм ⋅ K��он)

3.1.2. Обчислення температури роботи фотоелементу

Як і всі інші напівпровідникові прилади, сонячні модулі (СМ) чутливі до зміни
температури та приходу сонячної радіації (СР). Збільшення температури зменшує
ширину забороненої зони напівпровідника, змінюючи більшість характеристик
матеріалу (див. мал. 3.4). Коли енергія електронів збільшується у валентній зоні,
для переходу у вільний стан необхідно менше енергії. У таблиці 3.1 наведено
коефіцієнт термічної залежності ширини енергетичної щілини для різних
напівпровідників. Тестування параметрів СМ зазвичай відбувається за
стандартними умовами випробування (STC), які надалі виробники вказують їх як
паспортні дані СМ (Т см = 25 0 С і R 0 = 1000 Вт/м 2 маса повітря -1.5 швидкість
вітру = 0 м /с, спектр світла (ASTM G173-03). Це говорить про те, що при зміні цих
параметрів СМ на виході даватиме інші значення. Підтримка температури
сонячного модуля (СМ) (приблизно 25 0 С) збереження ефективності самих СМ
одна із ключових завдань сонячної енергетики. Тому розглянемо залежності
температури поверхні СМ від приходу СР та температури навколишнього
середовища із застосуванням голограми та без її.
Є три методи розрахунку температури РМ. Формула розрахунку температури
поверхні СМТ СМ без голографічних концентраторів при заданій температурі
зовнішньої середи і сонячного випромінювання першого методу:

58
Таблиця 3.1 - Коефіцієнт термічної залежності ширини енергетичної щілини
для різних напівпровідників.

Матеріал β, 10 −4ев/К Матеріа л
β, 10 −4ев/К
Si 4,00 As 2 Se 3 10,0
Ge 4,00 AsSe 2 Te 9,80
B 3,50 As 2 SeTe 2 10,06
C(алмаз) 1,20 InSb 2,8
Р(чорний) 2,30 InAs 2,8
As (сірий) 5,00 InP 4,80
Se 9,0 GaSb 3,5
Te 1,90 GaAs 5,00
Cd 3 As 2 5,80 GaP 5,5
CdSb 5,60 AlSb 3,5
Т СМ - Температура СМ, С;
R - прихід СІ, Вт / м 2 ;
α – інтегральний коефіцієнт поглинання СІтфотоелектричним
перетворювачем - 0,97 о.
α° - коефіцієнт тепловіддачі з поверхні СМ, прийнятий зазвичай при
середніх умовах для РМ рівним 40 Вт/(м 2 К);
То.с - температура навколишнього середовища в розрахунковій точці,К;
ηсм – ККД сонячного модуля,
Х – температурний коефіцієнт СМ, 0,004.
59
У таблиці 2 наведено приклад розрахунку Т см η СМ при різних значеннях
приходу СР.
Малюнок 3.3 - Спектр щільності поверхневих станів за різних температур:
а) Т=10 К; б) Т=300; в) Т = 500 К.

��
������ = ������ + (�� ∘
������ − 20 C) (3.42)
800

де Т см - Температура СМ, С; R - прихід СІ, Вт / м 2 ; Т.с - температура
навколишнього середовища в розрахунковій точці, 0 С; N OTC – нормальна
температура експлуатації СЕ (температура фотоелементів у модулі при
температурі повітря 20 °С при СІ 800 Вт/ м2 і швидкості вітру 1 м/с. на
малюнку 3.7
представлено зміну температури СМ залежно від СР та температури
навколишнього середовища для обох методів.

60
Малюнок 3.4 – Графік температури сонячного модуля без голограми залежно
від приходу СР R, Вт/м 2 та температури навколишнього середовища.
Третій метод, крім температури навколишнього середовища та приходу
СР враховує швидкість вітру :
T CM = 0.926T oc + 0.03 R – 1.666V вітр +5.1 (3.43)

Де - Т см - Температура СМ, С; R - прихід СІ, Вт / м 2 ; То.с - температура
навколишнього середовища в розрахунковій точці, С; V вітр – швидкість вітру,
м/с.
на малюнку 3.8 представлено зміна температури СМ в залежно від
швидкості вітру при постійній температурі навколишнього середовища та
різному приході СР.
Як видно з розрахунків, температура СМ в реальних умовах перевищує
стандартну температуру при якому розрахований максимальний коефіцієнт
корисної дії (ККД) більше 25 0 С. Це говорить про те, що ефективність
сонячних модулів може різнитися в різні пори року. Для подальших
розрахунків температури класичного сонячного модуля скористаємось
першим методом. Тепер розглянемо температуру поверхні СМ із
застосуванням голографічних концентраторів.

61

Малюнок 3.5 – ВАХ СЕ при різних температурах

Малюнок 3.6 -ВВХ СЕ за різних температур.
Малюнок 3.7 - Зміна температури СМ в залежності від СР і температури
навколишнього середовища.
62

Малюнок 3.8 - Зміна температури СМ залежно від швидкості вітру при
постійній температурі навколишнього середовища та різному приході СР.
Для визначення робочої температури ФЕП з використанням
голографічних концентраторів скористаємося формулою (3.44) :
Т феп = Т о . з + �� ∙ �� ФЕП
де То.с - температура навколишнього середи в розрахункової точці,
��°��={0,0075  0,05} температурний коефіцієнт кореляції, отриманий
експериментальним шляхом для сонячного модуля з голографічним шляхом
(СМ з ГК) [18, 85], 0 С*м 2 /Вт. (див. рис. 3.9 ) , R 2
феп – Вт/м – прихід
сонячної радіації на поверхню ФЕП.
Дослідження проведено з використанням експериментальної моделі
сонячного модуля з голографічним концентратором (СМ із ГК), показаного
на мал. 3.10. Експеримент дає дані, виходячи з яких проводяться розрахунки.
Дослідження проведено з використанням експериментальної моделі
сонячного модуля з голографічним концентратором (СМ із ГК), показаного на
мал. 3.10. Експеримент дає дані, виходячи з яких проводяться розрахунки.

63

Малюнок 3.9 – Експериментальна модель сонячного модуля з голографічним
концентратором (СМ з ГК) з трьома варіантами встановлення концентратора по
відношенню до ФЕП.
Експериментальна модель включає три види сонячних модулів з
голографічними концентраторами (Див. Мал. 3.9).
Як видно на Мал. 3.10 у моделі, розміщеної в лівій частині установки, площа
концентраторів, встановлених між фотоелементами, в два рази перевищує площу
фотоелементів, тобто. має ставлення 2/1. Це каже про тому, що Коефіцієнт
концентрації дорівнює 2. У моделі, яка знаходиться в середній частині
експериментальної установки, фотоелементи розміщені в середині модуля впритул
один до одного, а голографічний концентратор розміщений навколо фотоелементів.
У моделі, що у правій частині експериментальної моделі, площа голографічних
концентраторів, розміщених між фотоелементами, дорівнює площі фотоелементів,
тобто. має відношення 1/1 і коефіцієнт концентрації дорівнює одиниці. Три
варіанти моделі наведені для того, щоб визначити вплив товщини голографічних
концентраторів (між рядами сонячних елементів) на температурний коефіцієнт СЕ.
Повне опис експерименту наведено в літератури.
Коефіцієнт кореляції відношення температурного коефіцієнта кореляції СМ з
ГК до ( 0 С * м 2 /Вт) від приходу СР R, (Вт / м 2 ) дорівнює До корів = 0,999 (Див.
рис. 3.12). У зв'язку з цим можна сказати, що k і R пов'язані лінійної залежністю,
що й на мал. 3.13. У результаті формула для визначення температури
фотоелектричного перетворювача (ФЕП ) матиме наступний вид:
64
Т див = Т о.з + (2 ∙ 10 − 10 ∙ ��ФЕП + 0,0075) ∙ ��ФЕП (3.45)
Підвищення температури сонячних елементів впливає на їх працездатність і
довговічність, тобто. прискорює деградацію, робить необхідною їх частішу заміну,
що знижує економічні показники застосування концентраторів. Для цього
розглянемо ефективність фотоелементів за таких умовах.
Малюнок 3.10 – Залежність температури поверхні експериментальних
моделей СМ із ГК від зовнішніх факторів.

Малюнок 3.12 - Залежність температурного коефіцієнта кореляції К корел , ( 0С ∗
м2/Вт) від приходу СР R, (Вт/м2).

Малюнок 3.13 - Теплова карта СМ з ГК при СР 800 Вт/м 2 та теплопередача скла
15 Вт/ м2 . Перший з ліва фотоперетворювач повністю, по середині1/1, з права 2/1.
65

Малюнок 3.14 - Теплова карта СМ з ГК при СР 800 Вт/м2 теплопередача скла 30
Вт/ м2 .
Оцінка ефективності сонячного модуля

Ефективність або коефіцієнт корисної дії (ККД) СМ - це
характеристика, що показує який відсоток із сонячного випромінювання, що
потрапляє на його поверхню, може перетворити на електрику. Розрізняють
ККД СМ по активній площі поверхні (η акт ) (див. рис. 3.38) та ККД СМ за
загальною площею поверхні (η заг ):
PCM [BT]
��акт = = , o.e
�� 2
акт ∗ ���� [M2 BT
] ∗ [ ]
M2
PCM [BT]
��общ = = , o.e
�� BT
общ ∗ ���� [M2] ∗ [
M2]
Де Р СМ - Електрична потужність, що виробляється СМ (див. формули
3.6-3.7); R 0 - потік сонячної енергії, що потрапляє на площу поверхні РМ; S
акт і S заг – майданчики активного (доступного сонячному світлу) та загального
(що включає як поверхню, доступну сонячному світлу, так і ділянки
поверхні, атінені електродною сіткою або скрайбовані від поглинаючого
шару) поверхні СМ.
ККД СМ відповідно до дорівнюватиме:
��см = ��0 ⋅ (1 − ��кор ⋅ (Tсм − 25)) (3.49)
66
1
��кор =
T0 ∗ T0,c
де �� -
см ККД СМ при зміні Т см (о.е); �� 0 – ККД СМ за стандартних тестових
умов (STC), (о.е); Т см - Робоча температура СМ, ( 0 С) (див. формули 3.41,
3.45); α =0,00435 ( 0С - 1
кор )-температурний коефіцієнт кореляції; Т 0 =270 0 З
кристалічного кременю (Mono-Si) – максимальна температура у якому ККД
ФЭП знизитися до нуля .
Скористаюся формулами 3.8, 3.10 та 3.13 можна отримати підсумкову
ККД класичного СМ ( �� см ) та СМ із застосуванням голографічних
концентраторів ( �� см.кон. ). У таблиці 3.2 наведено розрахунок потужності
класичного сонячного модуля (Р см ) та СМсГК (див. рис. 3.3) залежності
від умов довкілля. Коефіцієнт концентрації до кон =1, тобто. сумарна площа
голографічної плівки та площа фотоперетворювачів рівні.
Як видно з таблиці 3.2 навіть за наявності майже одного разу більше СР
температури на поверхні класичного СМ та на СМ з ГК сильно не
відрізняються (Див. Мал. 3.13-3.14). Експеримент показував (Див. Мал. 3.9,
313-3.14), що при використанні фотоперетворювачів цілком, фотоелементи
при нагріванні віддають один одному тепло і при використанні
голографічних плівок між кожним рядом фотоперетворювачів їхня
температура знижується, але недостатньо.
Як очевидно з таблиці 3.2, ефективність РМ залежить від температури
РМ. Розрахунки показують, що з коефіцієнті концентрації 1 і Т о.с. =30 про З
температура СМ підвищується до Т про
см.кон = 41 З, що викликає зниження
ККД фотоперетворення з 20% до 19%, а при температурі Т про
см.кон =45 З ККД
СМ зменшується з 20% до 18%. Таке відносно невелике зниження ККД
викликає зменшення вироблення енергії ФЕП, яке цілком окупається
зниженням вартості сонячної панелі аналогічною потужності, в якої до 40%
(залежно від рівня концентрації) сонячних елементів замінюється дешевими
голографічними плівками. Після вирішення рівняння теплового балансу, при
67
прийнятих розрахункових величинах отримуємо залежності температури та
ККД фотоелемента від коефіцієнта концентрації до кін (див. рис. 3.15).
Таблиця 3.2 -Залежності температури та ККД сонячного модуля від приходу
сонячної радіації та температури навколишнього середовища при максимальному
надходженні сонячної радіації. Коефіцієнт концентрації до кін =1.
t R сум Rсм Rкон Т.о.с. Тсм Тсм.Кон. ηсм ηдив.кон Pсм Рсм.Кон.
.
год Вт/ м2 Вт/ м2 Вт/ м3 З З 0 З о. о. В В
ина 0 0 т т
6 15 13,05 25,7 18,6 18,70 18,79 0,20 0,20 2,61 5,1
7 166 144,42 284,5 20,6 21,68 22,73 0,20 0,20 28,88 56,9
8 350 304,50 599,9 22,9 25,18 27,40 0,20 0,20 60,85 118,7
9 539 468,93 923,8 25,4 28,92 32,33 0,20 0,19 92,19 178,9
10 706 614,22 1210,0 27,8 32,41 36,88 0,19 0,19 118,89 229,5
11 838 729,06 1436,2 29,9 35,37 40,67 0,19 0,19 139,24 267,7
12 921 801,27 1578,5 31,8 37,81 43,64 0,19 0,18 151,32 290,1
13 947 823,89 1623,0 33,2 39,38 45,37 0,19 0,18 154,47 295,8
14 919 799,53 1575,0 34,2 40,20 46,01 0,19 0,18 149,34 286,2
15 833 724,71 1427,7 34,7 40,14 45,41 0,19 0,18 135,40 260,2
16 692 602,04 1186,0 34,7 39,22 43,60 0,19 0,18 112,96 218,0
17 512 445,44 877,5 34,1 37,44 40,68 0,19 0,19 84,27 163,5
18 328 285,36 562,2 32,8 34,94 37,02 0,19 0,19 54,60 106,6
19 149 129,63 255,4 31,1 32,07 33,02 0,19 0,19 25,13 49,3
20 10 8,70 17,1 29,1 29,17 29,23 0,20 0,20 1,71 3,4

Малюнок 3.15 - Залежність температури та ККД фотоелемента від
коефіцієнта концентрації при температурі навколишнього середовища 30 0 С та
68
прихід СР 800 Вт/м 2
З економічної точки зору втрати ефективності РМ – це втрати грошей. Це
означає, що сонячні панелі з голографічними концентраторами потребують
охолодження, що зменшить зниження ККД фотоперетворення. Тому в даному
випадку має сенс вживати заходів для охолодження СМ та підтримати температуру
СМ рівномірно та одночасно отримати теплову енергію.

Малюнок 3.17 – Схема складових частин гібридної сонячної установки на
основі голографічної плівки. 1 - Скло (оптичне прозоре покриття), 2 - ряд
фотоелементів, 3 - голографічна плівка, 4 - оптичне прозоре покриття з EVA–
плівкою для герметизації фотоелементів, 5 – сонячний колектор у вигляді мідної
пластинки та труби, 6 – утеплювач, 7 – каркас, ВВХ, ВВХ – вхід та вихід води.
Пропонована конструкція ГСУ практично не відрізняється від класичних
сонячних панелей. ГСУ є панель (каркас) з теплоізоляцією, всередині якого
розташовані паралельно мідні трубки певного діаметра (див. рис. 3.19). Над
мідними трубами розташована прозора пластина з верху, якого поперемінно
розташовані голографічна плівка та сонячні елементи (СЕ). Для герметизації СЕ
пластина покривається прозорою EVA-плівкою (див. мал. 3.18), що є стандартним
сонячним модулем без охолодження.
Як видно з конструкції ДСУ для охолодження СЕ, застосовуються
тепловідведення. в вигляді мідних пластин, контактуючих з трубами (Лист-труба).
Крім представленого рішення, існують різні способи побудови системи
прокачування теплоносія, яких можна застосовувати в ДСУ, наприклад, металеві
69
трубки без тепловідводів або канали складного
профілю. Щоб оцінити який варіант з існуючих фотоелектричних теплових
панелей краще використовувати у запропонованій системі, розглянемо їх окремо.
3.1.3. Коснтрукції гібридної сонячної установки на основі голографічного
концетратора
На основі вивчення світового досвіду виготовлення сонячних
фотоенергетичних установок (СМ, СК) без та з плоскими концентраторами
сонячного випромінювання (сонячні панелі «Prism Solar Technologies») в
рамках дослідницької роботи пропонується конструкція гібридної сонячної
установки (ДСУ) з плоский голографічної плівкою (Див. Мал. 3.17).

Малюнок 3.18 – Частина ГСУ (ламінована фотоелектрична панель) для
вироблення електроенергії (сонячна фотоелектрична батарея). 1 - EVA плівка, 2 -
прозора пластина з чергами голографічної плівки та СЕ.

Малюнок 3.19 -Частина ГСУ є сонячного колектора. 1 – каркас (рамка), 2 –
мідний лист із трубою (можлива конструкція без тепловідведення), 3 – утеплювач,
де А – умовна площина перерізу.
70

3.2. Оцінка систем фотоелектричних теплових панелей
Фотоелектрична теплова панель (ФЕПТ) у ГСУ є мідною трубою з рідиною,
розташована під фотоелектричними елементами (мал. 3.17, 3.18). Щоб
теоретично могли визначити, який ФЕПТ є більш допустимим для ДСУ,
необхідно визначитися критерієм вибору:
1. Перший критерії вибору – це завдання ФЕТП. Основне завдання
ФЕПТ в нашому випадку - охолодити сонячні елементи, щоб ефективність
вироблення електроенергії фотоперетворювачів збереглася максимальному рівні.
Враховуючи завдання ФЕПТ можна їх назвати системами охолодження;
2. Простота конструкції охолоджувача, тобто. ми повинні вибрати
конструкцію, яка проста у виробництві та складанні ДСУ. Вона має бути легкою
та дешевою, щодо існуючих варіантів;
3. Необхідно вибрати систему охолодження так, щоб не заважало роботі
голографічних плівок;
4. Теплоносій - вода.
Визначились із системою охолодження, тепер розглянемо існуючі
конструкції ФЕТП. Різні конструкції фотоелектричних теплових панелей
(ФЕТП) наведено у роботі Тихонова П. В(мал. 3.20).
Якщо подивитися на наведені конструкції (див. мал. 3.20) і брати до
уваги критерії, то можемо сказати, що конструкції ФЕТП (б, д, е) відразу
відпадають, оскільки не дотримується 1, 2 та 3 критерію. Система
охолодження даних конструкцій знаходяться на лицьовій стороні ФЕ, що
зменшує вироблення електроенергії на 4% (див. рис. 3.21), тому
конструкції системи охолодження, які передбачаються з лицьового боку ФЕ,
у разі категоричний не підходять.

71

Малюнок 3.20 -Різні конструкції ФЕТП.
а) з абсорбером типу «аркуш-труба»; б) з абсорбером як каналу рідини над ФЕ
панеллю;
в) з абсорбером як каналу рідини під ФЕ панеллю; г) з абсорбером із прямокутних
каналів; д) з абсорбером в вигляді каналу, частково заповненого рідиною,
розташованим над ФЕ панеллю;
е) з подвійним абсорбером та повітряним прошарком. 1 – світлопрозоре покриття;
2 – повітря; 3 – фотоелектрична панель; 4 – теплопровідна електроізоляційна
скріплююча речовина; 5 – тепловий абсорбер; 6 - теплоносій (рідина); 7 –
теплоізоляційний матеріал; 8 – пари рідини.

72
Малюнок 3.21 - Показники ефективності різних змін ФЕТП. а) електричний
ККД ФЕТП; б) тепловий ККД ФЕТП. 1 – з абсорбером типу «лист-труба» та без
скління; 2 – з абсорбером у вигляді каналу під ФЕ прозорою панеллю для
довгохвильової частини спектру СІ; 3 – з абсорбером як каналу рідини під ФЕ
панеллю; 4 – з абсорбером типу «лист-труба» та одинарним склінням; 5 – з
абсорбером у вигляді каналу, частково заповненого рідиною, розташованим над
ФЕ панеллю; 6 – з подвійним абсорбером і повітряної прошарком; 7 - з подвійним
абсорбером безповітряного прошарку; 8 – з абсорбером у вигляді каналу рідини
над ФЕ панеллю; 9 – з абсорбером «лист-труба» та подвійним склінням; 10 – СК.
Ще одним основним недоліком конструкції ФЕТП (е) стоїть вважати
наявність двох абсорберів, що впливають на остаточну ціну та зумовлюють її
високу вагу, яку необхідно враховувати при монтажі установок і інших ситуаціях.
73
ФЕТП (В) представляє собою канал з рідиною, розташований безпосередньо поруч
із фотоелектричною панеллю з його тильного боку. Головна перевага таких
конструкцій щодо розглянутої конструкції типу «лист-труба» може бути
рівномірне по всій площі СЕ відведення тепла при рівномірному розподілі води.
Але з існуючих конструкції охолодження з тильного боку простішим і підходящим
для нас є ФЕТП(а) та ФЕТП(г).
Тепловий абсорбер ФЕТП (г) складається з множини вертикальних
прямокутних каналів, тобто. тепловідвідні канали розташовуються паралельно за
ламінованою ФЕ панеллю і поділений на сегменти (прямокутні канали). Така
структура теплового абсорбера утворює ребра, які збільшують площу поверхні, що
відводить тепло до рідини, таким чином, підвищуючи тепловідведення. Але при
використання міді для створення такої конструкції, збільшується вартість та вага
панелі. Щоб цього уникнути, можна, можливо збільшити відстань між каналами,
як показу на малюнку 3.22.
Малюнок 3.22 – ФЕТП із прямокутними каналами. Де 1 – світлопрозоре
покриття; 2 – повітря; 3 – ФЕ; 4 – ГОЕ; 5 – мідний лист із каналом (тепловий
абсорбер); 6 – теплоносій (рідина); 7 – теплоізоляційний матеріал та каркас.
Як видно з малюнків 3.20 та 3.22 ФЕТП (а) та ФЕТП (г) конструктивно
практичний нічим не відрізняються. Інші види ФЕТП (а) «лист-труба» повністю
обстежені в роботі Томаса Матуска і створено програма для самостійного
обстеження сонячних колекторів тепловим абсорбером "Лист-труба".

Малюнок 3.23 – Види ФЕТП «лист-труба». Де 1 – тепловий абсорбер лист над
74
трубою, 2 – праці під листом, 3 – труба під середину листа.
У роботі проведено теоретичні оцінки ефективності роботи основних
конструкцій та конфігурацій ФЕТП. Вони розглянули дев'ять варіантів
конструкцій (Див. Мал. 3.21). При оцінки передбачалося, що модулі працюють за
схемою із примусовою циркуляцією теплоносія з витратою рідини 76 кг/м 2 ·год.
У розрахунках сонячна радіація (R) була прийнята на рівні 800 Вт/м 2 , температура
навколишнього середи рівною 20 про З, швидкість вітру
–1 м/с, температура піднебіння – 4 про З і кут нахилу колектора відповідав
значенню 45 про .
Як видно з розрахунків теплової та електричної ефективності конструкції
(див. рис. 3.21) можна побачити, що конструкція з каналом для рідини, що
розташовується в тильній стороні фотоелектричною панеллю, має переваги з
виробництва електроенергії і при цьому ефективність вироблення по теплу трохи
нижче, ніж у інших розглянутих конструкціях. До того ж основною перевагою
такої конструкції є її простота, а отже, висока надійність при експлуатації.
Найефективнішим виробленням електроенергії серед розглянутих має ФЕТП з
конструкцією «лист-труба» без скління. Тому для ГСУ можна вибрати ФЕТП у
вигляді «лист-труба», «лист-прямокутний канал» або просто мідні труби. Щоб
забезпечити максимальний ККД СЕ протягом року необхідно вибрати
оптимальний режим прокачування об'єму води з урахуванням коливання
температури навколишнього середовища. Схема роботи і складових частин ДСУ з
ГК наведено на малюнку 3.23.1. Максимальний розрахунковий ККД колектора
ГСУ дорівнює СКГСУ =0,49 о.е. Формула для теоретичного розрахунку ККД
колектора ДСУ з ЦК наведено у формулі 3.49.1.

75
Малюнок 3.23.1 – Схема роботи та складових частин ДСУ з ЦК.
ΔT ΔT2
��СКгсу = ��0 − K1 − K
�� 2
кол ��кол
де �� скгсу - ККД сонячного колектора ГСУ з ГК (о.е), η 0 - максимальний
оптичний ККД колектора без урахування втрат тепла, тобто. при рівності
максимально досяжної температури нагрівання рідини (о.е), R кіль - сумарна
енергія, що потрапляє на поверхні колектора, Вт / м 2 ; до 1 - коефіцієнт теплових
втрат при температурі робочої рідини, наведеної до температури навколишнього
середовища (Вт/м 2 *К); до 2 -температурна залежність коефіцієнта теплових втрат
(Вт/м 2 *К 2 ); ΔT-різниця температур між середньою температурою робочої
рідини в колекторі (К).

3.2.1. Принципова робота ДСУ
Гібридна сонячна установка являє собою теплоізоляційний каркас зі
скляним покриттям (прозора ізоляція), голограма (дифракційних грат),
фотоперетворювач та трубка прокачування теплоносія. (теплова трубка).
Голографічний концентратор розміщується
на одному рівні з фотоперетворювачами та ламінується як єдиний
фотоелектричний панель (мал. 3.19), причому смуги голограми та смуги
фотоперетворювачів будуть чергуватись. Трубки прокачування теплоносія
розміщуються під фотоелементами (мал. 3.18, 3.20).
Технічна задача наведеної конструкції полягає у збільшенні
ефективності роботи класичних фотоперетворювачів підвищуючи ККД
перетворення сонячної енергії в електричну за рахунок збільшення щільності
сонячної енергії та підтримання ККД фотоперетворювача за рахунок
відведення тепла при цьому отримати теплову енергію.
Для підвищення густини СІ, що приходить на поверхню
фотоперетворювача, використовувалися голографічні концентратори з
дифракційними гратами. Дифракційні грати голографічної мультиплексної
76
плівки розраховані таким чином, що кожен шар ефективно заломлює під
кутом більше ППО падаюче під певним діапазоном кутом до поверхні
сонячне випромінювання . Дане рішення дозволяє:
• відмовитися від механічного стеження сонячного модуля за
положенням Сонця;
• збільшити вироблення електроенергії сонячного модуля, по
відношенню до стаціонарно розташованого сонячного модуля
модулю;
• зменшувати вартість вироблення електроенергії за рахунок
зменшення використання сонячних елементів, замінивши їх на
голографічні плівками.
Завдання утримання ККД фотоперетворювача при високій температурі,
виконується за рахунок відведення тепла. Це технічне Рішення дозволяє:
• уникнути зниження ККД сонячних фотоперетворювачів, що
викликається перегрівом;
• уникнути зменшення терміну служби фотоелементів;
• використовувати «теплову» частину сонячного випромінювання,
що надходить;
• підвищити ефективність генерації електричної енергії з одиниці
площі СЕ.
Теплову енергію (а в результаті – тепла вода), яка виходить від ДСУ,
можна, можливо подавати на СК або на резервуари для підвищення
ефективності загальної системи теплопостачання Для наочного перегляду
роботи гібридної системи необхідно змоделювати роботу ДСУ.

3.2.2 Моделювання режим роботи ДСУ
Для оцінки ефективності роботи ГСУ та визначення оптимальних параметрів
(швидкість та об'єм води, діаметр труби) були застосовані сучасні засоби
автоматизованого проектування і моделювання різноманітних фізичних процесів.
77
Математичні моделі , що створюються , дозволяють проводити різні
експерименти, не вимагаючи при цьому великої кількості матеріальних ресурсів,
дозволяють прогнозувати динаміку явищ і аналізованих процесів. Для створення
математичної моделі застосовані програми моделювання гідродинамічних
процесів комплексои MATLAB Simulink.
Складемо критерії оцінки ефективності роботи ДСУ для підбору
оптимальних параметрів:
• збереження ККД сонячних модулів при максимальному приході
сонячної радіації і високою температури навколишнього середи з
допомогою охолодження, тобто. у моделі критерієм
оптимальності ставиться підтримка температури поверхні
сонячних фотоелементів не більше ніж 25 градусів Цельсія;
• постійна швидкість та обсяг подачі води;
• габаритні показники створюваної ДСУ з пошуком мінімальних
показників маси та займаної площі.
Приватне завдання моделювання роботи ГСУ полягає в тому, щоб
визначити оптимальний обсяг і швидкість прокачування води через труби
ГСУ, щоб ККД СЕ був максимально можливим (мінус один відсоток від
максимального ККД) при максимальному приході СР і температури
навколишнього середовища. При цьому швидкість та обсяг прокачаної води
повинні бути постійними протягом усього терміну експлуатації.
Розглянемо модель в MATLAB і Simulink. Щоб моделювати ГСУ,
розділимо її на сегменти. Перший сегмент є ФЕТП «лист-труба», зверху
якого розташована голографічна плівка через світлопрозору підкладку.
Другий сегмент нічим не відрізняється від першого, тільки замість
голографічної плівки розташований сонячний фотоелемент (див. мал. 3.18,
3.33).

78

Малюнок 3.33 Сегменти моделі ГСУ. а) - з голографічною плівкою; б)
- з фотоелементом. 1 – голографічна плівка, 2 – світлопрозора підкладка
(пластина), 3 – ФЕТП «лист-труба» з теплоносієм (вода), 4 – фотоелемент.
Оскільки голографічний елемент виконує функцію відображення, то в
даний момент нас більше всього цікавить другий сегмент з фотоелементом.
Фотоелемент у ДСУ є основним елементом і найбільш уразливим до високих
температур, які знижують його. ККД.
Первинна оцінка конструкції ДСУ продемонструвала, що ФЕТП під
голографічними плівками зайві і можливе їх виключення для зменшення ваги і
загальної вартості ДСУ, але ефективність даного рішення оцінюється після
комплексного моделювання аналізованої системи.
Для моделювання роботи голографічної плівки (див. мал.3.34) скористаємося
формулою 3.40.
Малюнок 3.34 - Модуль концентрованою сонячної радіації, що потрапляє на
поверхню сонячних фотоелементів (Simulink).

79
Для створення моделі сегменту ГСУ з фотоперетворювачем у програмному
забезпеченні Simulink скористаємось повністю базовими елементами.
Топологічна модель Simulink для сегменту ГСУ з фотоелементом наведена
малюнку 3.35. Представлений сегмент демонструє кількісну оцінку енергії
сонячного випромінювання, що приходить. Для оцінки ККД створюється модель
теплових процесів у ДСУ.
Температурний режим фотоелемента, розміщеного на трубках з теплоносієм
— це результат взаємодії різних видів теплопередачі (конвекція, кондукція,
тепломасоперенесення та випромінювання), що реалізовано в моделі теплових
процесів як сукупний тепловий опір системи, що розглядається (див. мал. 3.36).
Блок труби Pipe (Tl) Simulink моделює конвективне термічний опір
внутрішньої поверхні труби та в'язкий підігрів робочої рідини. Блок
теплопровідності моделює відповідний опір теплопередачі між внутрішньою та
зовнішньою поверхнями труби. Формула конвективної теплопередачі на стінці
труби наведено нижче :
���� = ��конвек + ��кондук
Передбачається, що значення теплового потоку між рідиною і стінкою труби
є результатом конвективного конвек ��конвек і кондуктивного кондук ��кондук
(провідність) теплообміну.
Кондуктивний теплообмін потоку рідини обчислюється за формулою:
����ℎ
��кондукт = (��
�� ��−��води)
де, k – коефіцієнт теплопровідності теплоносія; ��ℎ – площа поверхні стінки
труби (виріб по периметру і довжині труби), �� - гідравлічний діаметр труби, м 2,
����−��води - температури стінки труби та рідини відповідно, ( 0 С).

80

Малюнок 3.35 – Модуль сегмента ГСУ з фотоелементом (Simulink).

Малюнок 3.36 - Схема теплового опору (кондуктивне G кондук) ,
При моделюванні враховується, що температура поверхні
фотоперетворювачів дорівнює температурі поверхні мідного тепловідведення і
труби з теплоносієм, що прокачується. У моделі теплових процесів за вплив
температури навколишнього середовища на трубу відповідає конвективний блок
теплопередачі (див. мал. 3.35), який є теплообміном між навколишнім повітрям і
складовою ГСУ. Конвективний теплообмін (тепловий потік) описується законом
Ньютона і подається у вигляді наступного рівняння.
�� = �� ∙ �� (����−����)
де k - Коефіцієнт конвекції тепла, S - площа поверхні (м 2 ), ����−���� -
81
– значення температури в портах А та В труби.
Променистий теплообмін (див. рис. 3.35) є теплообмін випромінюванням
між поверхнею ГСУ і навколишнім простором. Випромінювання описується
законом Стефана-Больцмана, який базується на геометричній формі
випромінюючої поверхні, ступенем чорноти поверхні та градієнтом температури
у четвертому ступені. Константа випромінювання k, у вигляді сукупності
постійної Стефана-Больцмана та наведеного ступеня чорноти, для теплопередачі
між двома паралельними пластинами обчислюється як:
��
�� =
1 1
− 1
1 2
де �� = 5,670367(13)��10−8 - постійна Стефана-Больцмана, Вт/м 2, 1 , 1 -
коефіцієнт випромінювання поверхні для випромінюючої та приймаючої пластин
відповідно
Кінцевий вираз енергетичного балансу з урахуванням швидкості
накопичення енергії в трубі обчислюється за формулою
��1 = ���� + ���� + ���� − ��1��∆��
Де ��1 - загальна енергія внутрішнього обсягу рідини визначається з точки
зору питомої внутрішньої енергії як:
�� 1 = ��1 ∗ ��1 ∗ ��
Де �� 3
1 - теплова щільність води, кг/м ; V - внутрішній об'єм труби, м 3 ; u -
питома внутрішня енергія рідини, G A , G B - загальна витрата енергії в трубу
через порти А і В, G H - енергія, що передається конвективної
теплопередачі на стінці труби (формула 3.47), m 1 - середній масовий витрата
води між початком та кінцем труби, кг/сек:
����+����
��1
2
�� = 9,81 (м/с²) - гравітаційне прискорення, Δz підйом по висоті від порту А
до порту Б.
Для математичного моделювання розглядається складова частина системи із
82
сонячними елементами у вигляді ділянки труби завдовжки 1 метр із
температурою води на в ході 10 0 С. Як підсумок: верхня частина ДСУ, де
надходить теплоносій, буде холодніше, ніж у ділянці виходу теплоносія. У зв'язку
з цим необхідно вибрати таку витрату, щоб максимальна температура на поверхні
фотоелементів по всій довжині ДСУ не перевищувала 25 0 С. Як видно з
результатів параметричного моделювання (табл. 3.5) – теоретично достатньо
прокачувати 0,5 л/хв води для одного сегменту (див. рис. 3.33), щоб підтримувати
температуру СЕ на рівні 25 0 С. При цьому очевидно, що застосування
паралельної ФТЕП під голографічним елементом є нераціональним за рахунок
меншого ступеня прогріву води. Використання ФТЕП тільки під СЕ дозволить
зменшити вага.
У розглянутих граничних умовах для ДСУ з трьома сегментами ФЕТП
витрата води для підтримки ККД СЕ на максимальному рівні склала від 1,5 л/хв
до 3 л/хв. При послідовних сполуках ДСУ необхідно 3 л/хв. Результати
математичного моделювання в вигляді
тривимірної області параметрів наведено малюнку П.Б.1. Активний ККД
класичного РМ та ДСУ з ГК наведено на малюнку 3.38.
Таким чином, застосування математичного моделювання ДСУ
продемонструвало можливість оцінювати: одержуваний енергетичний баланс для
забезпечення домашнього господарства тепловою та електричною енергією,
ефективність конструктивних виконань ФТЕП, що розглядаються, вплив змінних
граничних умов на поведінка ДСУ і закласти основи для подальшого розвитку
даної тематики, з подальшим впровадженням отриманих результатів.

Малюнок 3.38 – Активний ККД класичного РМ та ДСУ з ДК
83
Виснок
У третьому розділі магістерської роботи:

1. Визначено енергетичні параметри СФЕУ із застосуванням
голографічних плівок і без (прихід СР, ВАХ, ОВТ, робоча
температура), а також оцінювалося ефективність фотоелементів з
і без охолодження.
2. Запропоновано конструкцію гібридної сонячної установки із
застосуванням голограми та обґрунтовано її принцип роботи.
3. Виконано моделювання температурних режимів роботи ГСУ на
основі голографічних плівок.

84

РОЗДІЛ 4. ОЦІНКА ПОТУЖНОСТІ ТА
ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ВИБОРУ СХЕМИ
ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ НА ОСНОВІ ЕНЕРГІЇ
СОНЦЯ

МКР 23.144.43 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Півненко.А Літ. Арк. Акрушів
Перевір. РОЗДІЛ 4. ОЦІНКА ПОТУЖНОСТІ ТА
Палахотни.О.П
ПОКАЗНИКИ ВИБОРУ СХЕМИ
ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ НА ОСНОВІ ЕНЕРГІЇ
Н. Контр. СОНЦЯ
ЧДТУ, мЗТЕ-88
Затверд. Калейніков
85
4.1. Вибір системи підігріву води та опалення
Існує системи ГВП та опалення на основі сонячної енергії з одним
та двома накопичувачами. Для підігріву води та опалення краще
використовувати систему з двома накопичувальними резервуарами, яка
показано малюнку 4.1. У системі, що зображена на мал. 4.1 існує типовий
поділ між накопичувальним резервуаром для ГВП і буферним
накопичувачем для опалення. Влітку, коли опалення вимкнено, до басейну
подається тепла вода із ГСУ. Дана система відрізняється від системи
підігріву води та опалення з одним накопичувальним резервуаром тим, що
при вилученні води у великих обсягах холодна вода, що надходить у
накопичувач для ГВП, порушує теплове нашарування. Недоліком даної
системи є велика площа, складна і дорога. Далі розглянемо та проаналізуємо
розрахункове порівняння характеристик поширених типів сонячних
колекторів вакуумного (ТСК) та плоского (ПСК), оскільки вони є основними
елементами водонагрівальних геліоустановок.

4.2 Аналіз енерговіддачі сонячних колекторів
Сонячні колектори для опалення приміщень та для гарячого водопостачання
(ГВП) працюють на відновлюваних джерелах енергії, використовуючи при цьому
невичерпну сонячну енергію. Для підігріву технічної води сонячні колектори
встановлюють на даху, тим самим вони стають сполучною ланкою між сонцем та
користувачем теплової води. Тепло виникає внаслідок поглинання абсорбером
сонячного випромінювання. Підігріваючи рідину (теплоносій) тече через
ізолювання труби до накопичувача теплової води, де у тепловому апараті вона
віддає тепло питній воді та повертається назад у колектор.
Існує безліч різновидів колекторів (мал. 4.3) , призначених для використання
в різних галузях, але найбільш відпрацьовані та часто пропоновані сьогодні
конструкції колекторів показані на малюнку 4.2.

86
Малюнок 3.29 -Залежність температури елементів сонячного модуля від
об'єму теплоносія, що прокачується.
Тут А і Г плоскі сонячні колектори, а Б і В трубчасті сонячні.
колектори, причому в варіанті У трубки забезпечені рефлекторів. Колектори
типу Г виконані із пластику, не мають скління та застосовуються виключно
для нагріву води у басейні тільки в країнах з відсутністю зимового сезону.
Колектори типу Г також називають відкритим колектором. На малюнку 4.4
зображені лінії ККД видів, що найчастіше зустрічаються. Порівняльний
розрахунок енерговіддачі здійснюється між плоским (закритий тип А) та
вакуумним (тип Б) колекторами. Вплив конструкції СК на їх ефективність
наведено у таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 Вплив конструкції СК з його енергетичні показники
Оптимальн Коефіцієнт
№ Конструкція СК ий теплових втрат,
ККД, о. Вт/м 2 *К
1 Звичайний плоский СК без 0,95 15
скління
Звичайний плоский СК з
2 одношаровим склінням 0,85 7
Звичайний плоский
3 СК із двошаровим 0,75 5
склінням
СК із селективним покриттям
4 для 0,8 3,5
теплопоглинаючої поверхні
та одношаровим склінням
Вакуумований скляний
5 трубчастий СК 0,75 2

87

Малюнок 4.3 – Різні види колекторів у розрізі

Малюнок 4.4 - Порівняння ККД та робоча температура різних колекторів при
опроміненні 1000 Вт/м 2

88
Вихідна потужність вакуумного колектора описується рівнянням:
��Т ��
������ = �� ∙ (��0 ∙ ������ − ��1 ∙ ∆�� − ��2 ∙ ∆��2) , Вт
де, А - площа апертури, м2 ; ��0 – оптичний коефіцієнт корисної дії без
урахування втрат тепла, тобто. при рівності максимально досяжної температури
��
нагрівання рідини Т m і температури навколишнього середовища Та, ������ -
інтенсивність сумарного випромінювання в площині колектора, Вт / м2 ; a1-
коефіцієнт теплових втрат при температурі робочої рідини, наведеної до
температури навколишнього середовища, Вт/м 2 *К; а2 -температурна залежність
коефіцієнта теплових втрат, Вт/м 2 * До 2 ; ΔT-різниця температур між середньою
температурою робочої рідини в колекторі (Тт ) і температурою навколишнього
середовища (Та), °К
(Тт = ((Т������ + Т������ )/2, °К

де T inl - температура холодної робочої рідини на вході в колектор, °К; T out -
температура гарячої робочої рідини на виході з колектора, ° До.
Технічні характеристики вибраних колекторів наведені у таблицях 4.2-4.3.
Таблиця 4.2 - Технічні характеристики вакуумного колектора (ТСК)
HAWALEXKSR10 (Польща – Німеччина).
Розміри 2130х860х116 мм
Вага 30 кг
Об'єм рідини 1.8 л
Габаритна (загальна) площа 1.823 м 2
Апертурна площа 1.014 м 2
Оптичний (максимальний) ККД 75%
Коефіцієнт теплових втрат 1.27 Вт/(м 2 •К)
Коефіцієнт теплових втрат 0.0012 Вт/(м 2 •К
2 )

Таблиця 4.3 – Технічні характеристики плоского колектора (ПСК), виробленого у
Німеччині фірмою Wolf.
Тип сонячного колектора TopSon F3-1
Загальна площа, м2 1,3
89
Площа поглинача, м2 1,014
вага, кг 40
Кількість теплоносія, л 1,7
Оптичний ККД щодо площі поглинача, % 82
Коефіцієнт теплових втрат k1, Вт/(м2 К2) 3,312
Коефіцієнт теплових втрат k2, Вт/(м2 К2) 0,0181
Максимальна температура, ° 198
Теплоємність, кДж/(м2) 5,5
Максимальний тиск, бар 10

4.2.1 Загальні вихідні параметри

У розрахунках прийнятий ряд допущень. Тривалість життєвого циклу проєкту
складає 20 рокам. При цьому розрахунковий термін служби ФЕМ і водонагрівача
становить 20 років, НЕЕ – 10 років. Процентна ставка r=5% [33].
Вартість устаткування визначалася на основі роздрібних цін [34]. При цьому
прийнято допущення, що вартість ФЕМ, НЕЕ й водонагрівача змінюється
прямопропорційно зміні їх розміру.
Щорічні витрати на експлуатацію й технічне обслуговування ФЕМ і
накопичувачів електричної й теплової енергії становить 1,5 % від відповідних
інвестиційних витрат. Також прийнято, що тарифи на покупку ЕЕ від мережі й
продаж ЕЕ в мережу не залежать від часу доби.
Всі перераховані допущення, а також вартісні параметри, релевантні для всіх
розглянутих регіонів, наведено в табл. 4.1.
Таблиця 4.1
Характеристики ФЕС з малим обсягом генерації, прийняті в розрахунках
Найменування Величина
Тривалість життєвого циклу проєкту n, років 20
Процентна ставка r, % 5
Питомі інвестиції в генеруючу частину ФЕС мікрогенерації Ipv, 83 000
грн./кВтпік
Питомі інвестиції в НЕЕ Ibat, грн./кВт∙год 25 000
Питомі інвестиції у водонагрівач It, грн./100 л 15 000
Витрати на обслуговування opv, obat, ot (% від капітальних витрат) 1,5
Термін служби ФЕМ Npv, років 20
90
Термін служби НЕЕ Nbat, років 10
Термін служби водонагрівача Nt, років 20
Сумарне річне електроспоживання El, кВт∙год 5 500
Темп росту цін на газ і електроенергію в рік 4% [35]

Висновок розділу
• Вибрано оптимальний варіант геліосистеми для підігріву води та
опалення.
• Виконано розрахунок енерговіддачі ПСК та ТСК. Оцінювалося їхню
гідність та недоліки застосування для умов Республіки Таджикистан,
для покриття графіка теплової навантаження.
• Розроблено ПЗ для розрахунку балансу потужності та економічного
обґрунтування вибору схеми локального енергоспоживача на основі
сонячної енергії з поєднанням ДСУ з ГК та СК, а також СМ та СК
відповідно.

ВИСНОВКИ

Результати проведеної роботи свідчать про покращення ефективності роботи
традиційних фотоперетворювачів за рахунок збільшення щільності сонячної енергії
та утримання коефіцієнта корисної дії фотоперетворення через відведення тепла.
Крім того, виявлено можливість отримання теплової енергії. Застосування системи
управління голографічним концентратором разом із сонячним колектором за
запропонованою схемою дозволяє підвищити технічні характеристики
геліосистеми.

У ході досліджень було виконано:
• Вивчення світового досвіду створення та експлуатації сонячних установок із
сонячними модулями та колекторами, що призвело до розробки конструкції
декстрального сонячного унітазу на основі голографічних концентраторів.
Аналіз існуючих голографічних сонячних концентраторів підтримує
91
застосування об'ємних голографічних структур із дифракційними гратами,
що досягає теоретичної максимальної ефективності більше 96%.
Запропонована конструкція поєднує сонячний фотоелектричний модуль,
плоский сонячний колектор та голографічний сонячний концентратор.
• Важливим параметром є тепловий режим фотоелементів у реальних умовах.
Розрахунки показали, що використання голографічних концентраторів
збільшує ефективність геліосистеми, особливо для споживачів із денним
піковим навантаженням. Різниця в ступені замінюваності сонячної енергії
між декстральним сонячним унітазом та традиційними сонячними модулями
становить близько 1%. Застосування геліосистеми разом із сонячним
колектором дозволяє підняти ефективність опалення на 3% та гарячого
водопостачання на 22%.
В цілому, дослідження підтверджує виправданість та економічну ефективність
впровадження голографічних концентраторів сонячної енергії, особливо для
споживачів із денним піковим навантаженням. Використання сонячної енергії на
масовому рівні сприяє зниженню навантаження на енергосистему, підвищує її
надійність та зменшує річні витрати з бюджету держав

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

CASA Central Asia-South Asia power project
EVA Ethylene vinyl acetate
HPC Holographic Planar Concentrator
LCOE Levelised Cost of Energy
PST Prism Solar Technologies
STC Standard Test Conditions
ВАХ - Вольт-амперна характеристика
ОВТ - Вольт-ватна характеристика
ТСК -Вакуумний сонячний колектор
ВІЕ Відновлювані джерела енергії
92
ГВП - Гаряче водопостачання
ГК - Голографічний концентратор
ГМОЕ Голограмний мікрооптичний елемент
ГМС Гідрометеорологічна служба
ГОЕ - Голограмний оптичний елемент
ДСУ - Гібридна сонячна установка
ДОЕ Дифракційний оптичний елемент
ДР Дифракційні грати
ККД - Коефіцієнт корисної дії
НВІЕ Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії
ППО - Повне внутрішнє відображення
ПГСК - Плоскі голографічні сонячні концентратори
ПЗ - Програмне забезпечення
ПСК Плоский сонячний колектор
РС Реєструюче середовище
РТ Республіка Таджикистан
СДЗ - Сумарні дисконтовані витрати
СЗ - Сумарні витрати
СІ - Сонячне випромінювання
СК - сонячний колектор
СМ - Сонячний модуль
СМсГК - Сонячний модуль із голографічним концентратором
СНіП - Будівельні норми і правила
СР - Сонячна радіація
СРСР Союз Радянських Соціалістичних Республік
СФЕП - Сонячна фотоенергетична панель
СФЕУ - Сонячна фотоелектрична установка
США Сполучені Штати Америки
СЕ - Сонячний елемент
СЕС -Сонячна електростанція
93
ФЕ - Фотоелемент, фотоелектричний елемент
ФЕП - Фотоелектричний перетворювач
ФЕПТ - Фотоелектрична теплова панель
.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Організація Об'єднаних Націй/[Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL:
https://www.un.org/ru/ .
2. Neue Modification d. Lichts durch gegenseitig e Einwirkung und Beugung d.
Strahlen und Gesetzte derselben ("Denksch. München. Acad.", Т. VIII, 1821 - 1822).
3. Bestimmung d. Brechungs und d. Farbenzerstreuungs-Vermögens verschiedener
Glasarten, in Bezug auf d. Vervollkommung achromatischer Fernröhre «Denkschrif.
München. Acad.», т. V, 1814-1815.
4. Американська компанія Prism Solar Technologies/[Електронний ресурс]. –
Режим доступу: URL: https://www.prismsolar.com/ .
5. США Patent “Device for concentrating optical radiation”. Family ID:23256383.
Appl.No.:09/322,781 Filed: May 28, 1999. Link: https://www.uspto.gov/ .
6. Ahmad Mojiri, Robert A. Taylor, Elizabeth Thomsen, Gary Rosengarten, Spectral
beam splitting for efficient conversion of solar energy — A review. In: Renewable and
Sustainable Energy Reviews 28, December 2013, Pages 654–663, Link:
doi:10.1016/j.rser.2013.08.026.
7. Датська компанія DanSolar/[Електронний ресурс]. - Режим доступу:
URL: http://dansolar.dk .

8. Французько-Іспанська компанія DualSun/[Електронний ресурс]. – Режим
доступу: URL: https://dualsun.com .
9. Турецька компанія Solimpeks, що спеціалізується на виробництві сонячних
енергетичних установок/[Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL:
http://www.solimpeks.com/ .
10. Іспанська компанія EndeF/[Електронний ресурс]. – Режим доступу:
94
URL: http://endef.com/ .
11. Chow, TT "A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology". Applied
Energy. 87 (2): 365-379. Link: doi:10.1016/j.apenergy.2009.06.037.
12. NASA Prediction of Worldwide Energy Resource (POWER). [Електронний
ресурс]. - Режим доступу: https://power.larc.nasa.gov/ .
13. METEONORM Version 6.0.2.5 METEOTEST Fabrikstrasse 14 CH-3012 Bem
Switzerland. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://meteonorm.com/ .
14. Світовий Атлас Сонячної Енергії/[Електронний ресурс]. - Режим доступу:
https://globalsolaratlas.info/ .
15. Schulz, Detlef. Heat supply based on Solar Energy in Tajikistan/BT Shokhzoda,
MG Tyagunov // NEIS 2017 Conference on Sustainable Energy Supply and Energy
Storage Systems Hamburg, Germany, VDE-verlag-2017-P. 181-187.
16. Видавництва Elsevier - база даних наукових журналів ScienceDirect. Energy
consumption [Електронний ресурс]. Режим доступу:
https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/energy- consumption
.
17. Luis Perez-Lombard, Jose Ortiz, Christine Pout. “A review on buildings energy
consumption information”. Elsevier. Energy and Buildings 40, pp. 394-398. 2017.
18. Матвєєв О.М. Оптика: Навчальне допомога для фізичних спеціальностей
вузів // Вища школа-Москва - 1985, З-38.
19. Денисюк Ю. Н. Принципи голографії / Ю. Н. Денисюк//Л.: ГОІ, 1978.
- 125 с.
20. L. Eisen, M. Meyklyar, M. Golub, A. Friesem, I. Gurwich, і V. Weiss. Planar
configuration for image projection /Applied optics, June 2006, Vol. 45, No.
21. L. Eisen, M. Meyklyar, M. Golub, A. Friesem, I. Gurwich, і V. Weiss. Design and
experiments planar optical light guides for virtual image displays, Proceedings of SPIE,
Vol. 5182.
22. Zhanjun Yan, Wenqiang Li. Virtual display design using waveguide hologram in
conical mounting configuration / Optical engineering, September 2011, Vol. 50.
23. Julia Marin-Saez. Характеристика volume holographic optical elements recorded
95
in Bayfol HX Photopolymer for solar photovoltaic applications / Julia Marin-Saez, Jesus
Atencia, Daniel Chemisana, Maria-Victoria Collados // Optical Society of America Vol.
24, No. 6- 2016.
24. Collados M. V. Holographic solar energy systems: the role of optical elements
/ MV Collados, D. Chemisana, та J. Atencia // Renew. Sustain. Energy Rev. 59, 130–140
– 2016.
25. Abumeri, Mark, M. Dual layer thin film holographic solar
concentrator/collector//PCT / WO 2009/102671 A3 – 2009.
26. Jesús Atencia. Holographic solar energy systems: The role of optical elements
/ Jesús Atencia, Maria Victoria Collados, Daniel Chemisana // Renewable and
Sustainable Energy Reviews. Spain - 2016.
27. H. Kogelnik. “Coupled wave theory for thick hologram gratings”. Bell Syst.
Tech. J., 48 - 1969. PP. 2909-2947.
28. D. Chemisana, MV Collados, M. Quintanilla, і J. Atencia, “Holographic lenses for
building integrated concentrated photovoltaics,” Appl. Energy 110, Elsevier 2013, 227-
235.
29. P. Banares-Palacios, S. Alvarez-Alvarez, J. Marin-Saez, M.-V. Collados, D.
Chemisana, і J. Atencia, “Broadband behavior of transmission volume holographic
optical elements for solar concentration,” Opt. Express 23(11), A671-A681 - 2015 року.
30. CG Stojanoff, “A review of selected technological applications of DCG
holograms,” Proc. SPIE 7957, 79570 - 2011 року.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets