ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА доктора технических
реклама
ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА доктора технических наук, профессора кафедры «Лазерные и оптикоэлектронные системы» Московского Государственного Технического Университета имени Н.Э.Баумана ОДИНОКОВА СЕРГЕЯ БОРИСОВИЧА на диссертационную работу БАВИНА МАКСИМА РАДОМИРОВИЧА «Разработка и исследование преломляющих фотоэлектрических установок», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 – «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии». Актуальность темы. В условиях растущей потребности человечества в энергетических ресурсах и истощения ископаемых источников энергии, очень важным является вопрос использования возобновляемых источников энергии. Среди различных видов преобразования возобновляемой энергии одним из наиболее перспективных является фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения и создание солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ). Это связано с тем, что приход солнечной радиации на поверхность земли в течение одного дня может покрыть все потребности человечества в энергоресурсах за целый год, а также это связано с тем, что получаемая в результате фотоэлектрического преобразования электроэнергия является наиболее удобной для транспортировки и дальнейшего преобразования формой энергии. В тоже время, существенным недостатком солнечной энергии является низкая плотность прихода потока энергии на земную поверхность. Для выработки заметной электрической мощности, необходимо собирать солнечное излучение с больших площадей, покрывая их дорогостоящими полупроводниковыми солнечными элементами. Стоимость получаемой таким образом электроэнергии зачастую превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами. Именно это является основной причиной, сдерживающей развитие крупномасштабной солнечной электроэнергетики. 1 На сегодняшний день существуют различные схемы преобразования солнечной энергии с помощью специализированных концентраторов солнечной энергии, позволяющие существенно снизить расход полупроводниковых материалов необходимых для преобразования солнечной энергии с заданной площади. В основном такие схемы построены на принципе концентрирования солнечной энергии на фотоэлементы значительно меньшей площади, нежели площадь сбора солнечного излучения. Однако, в основном все известные на сегодняшний день установки, концентрирующие солнечное излучения обладают двумя существенными недостатками: 1) необходимость постоянного слежения за положением солнца, 2) а при отсутствии конструктивной необходимости слежения за положением солнца имеют достаточно узкое поле зрения установки. Как следствие вышеперечисленные факторы приводят к усложнению конструкции и снижению выработки электроэнергии установки по отношению к классическим схемам преобразования солнечной энергии без концентрирующих устройств. Актуальность. Современное развитие голограммной оптики позволяет создавать концентраторы солнечной энергии способные концентрировать солнечную энергию в широком диапазоне углов падения и полного спектра солнечного излучения без механического слежения за положением Солнца. Поэтому, одним из перспективнейших направлений разработки СФЭУ является их создание на основе голограммной оптики и специализированных голографических концентраторов. Работы в данном направлении ведутся по всему миру, однако серийный промышленный выпуск подобных установок пока не налажен и выпускаются только опытные образцы таких установок лишь несколькими производителями. Считаю, что сформулированная в работе цель, заключающаяся в разработке, исследовании и оптимизации энергетических характеристик СФЭУ на основе голографических направленной на повышение концентраторов является актуальной и технико-экономической фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. 2 эффективности Степень достоверности, обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций. Автором критически анализируются различные аналогичные конструкции фотоэлектрических установок солнечной энергии различных производителей по проведенному патентному поиску. В диссертационной работе автор корректно использует известные научные методы расчета голографических и дифракционных оптических структур, изложенные в классических работах чл-кор. РАН Сойфера В.А., а также в работах других именитых ученых. Для подтверждения теоретических положений в работе приводятся многочисленные примеры расчета СФЭУ для заданных параметров, определяется выработка электроэнергии установки для различных условий работы, а также проводится сверка их параметров и характеристик с действующими на сегодня установками Оценка содержания диссертации и её новизны. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Объем работы составляет 135 страниц, включая 4 страницы приложений, содержит 76 иллюстраций и 8 таблиц. В первой главе диссертации автором на основе проведенного анализа предложена оригинальная схема и конструкция СФЭУ для преобразования солнечной концентратора, энергии в электрическую отличающаяся от с помощью известных голографического аналогов тем, что сконцентрированное излучение фокусируется на торцевой поверхности фотоэлектрической батареи, что позволяет получить целый ряд преимуществ по сравнению с аналогами: 1) повысить коэффициент концентрации солнечного излучения; 2) снизить расход полупроводникового материала; 3) более равномерно освещать фотоэлемент; 4) улучшить охлаждение фотоэлемента. 3 Новизна разработки данной конструкции СФЭУ на основе голографического концентратора подтверждается патентом на полезную модель. Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели и методу расчета голограммного оптического элемента (ГОЭ), являющегося главным компонентом голографического концентратора для СФЭУ. Показано, что для повышения дифракционной эффективности предложена модель ГОЭ, состоящая из рельефно-фазовых дифракционных решеток с многоуровневым поверхностным рельефом. Данная модель является достаточно оригинальной, а для расчета фазовой функции ГОЭ используется многократно проверенный на практике алгоритм Герчберга-Секстона, позволяющий минимизировать ошибки волнового фронта световой волны на выходе ГОЭ. В результате такого математического анализа была получена спектральная характеристика пропускания ГОЭ, обеспечивающая в видимом диапазоне длин волн и в ближнем ИК-диапазоне прохождение светового излучения в заданных углах падения: по высоте солнца +90 град до -20 град, а по азимуту от -70град и до +70 град. Такая характеристика позволяет обеспечить работоспособность СФЭУ без слежения за положением солнца и существенно упростить установку. Третья конструкции глава СФЭУ диссертации на основе посвящена разработке голографического конкретной концентратора и моделированию теплофизических процессов и распределения энергетических потерь внутри установки. Автором разработаны методики и проведены тепловые и энергетические расчеты, позволяющие определить для данной конструкции параметры и характеристики СФЭУ с голографическим концентратором. Получено уравнение теплового баланса фотоэлемента СФЭУ и проанализировано влияние каждого компонента этого уравнения на потери и на коэффициент концентрации. В результате автором получены важнейшие параметры и характеристики СФЭУ с голографическим концентратором: зависимость КПД фотоэлемента от коэффициента концентрации, зависимость 4 КПД фотоэлемента от прихода солнечной энергии, спектральную характеристику всей СФЭУ, а также вольт-амперные характеристики СФЭУ. Это позволило определиться с эксплуатационными параметрами СФЭУ, а именно, определить, что при количестве кремниевых фотоэлементов равном 8 и площади лучеприемной поверхности равной 0,21 кв.м пиковая мощность достигает значения 24 Вт. На основе анализа теплового режима было получено, что критический коэффициент концентрации излучения равен 7, а КПД СФЭУ с голографическим концентратором достигает величины 11,8%-12,2%. В четвертой главе диссертации определяются энергетические параметры работы СФЭУ в реальных климатических и эксплуатационных условиях работы для некоторых регионов России. На основе базы данных солнечной радиации «Meteonorm-4,0» и справочника по климату СССР (НПС) автором составлены карты прихода солнечной радиации и показано, что наименьшая величина среднесуточных погрешностей применения рассматриваемых баз данных для расчета суммарной солнечной радиации имеет наименьшее значение в летний период (+_3%), среднее значение +_6% в зимний период и наибольшее значение +_10% при диффузной солнечной радиации. В результате автору удалось построить зависимость выработки электроэнергии в годовом цикле для различных СФЭУ для условий г.Сочи и показано, что можно достичть увеличения выработки электроэнергии на 1 кв.м фотоэлементов в течении года по сравнению с классической установкой со слежением за солнцем в 5,15 раз, что является весьма существенным достижением. Также автором проанализирован экономический эффект от использования СФЭУ с голографическим концентратором, выраженный в виде чистого дисконтированного дохода (ЧДД), получаемый в результате экономии электроэнергии потребляемой из сети при работе двух типов СФЭУ-на основе классических кремниевых голографического снижения срока фотоэлектрических концентратора. окупаемости Показано, СФЭУ концентратора почти в 2 раза. 5 на батарей что и возможно основе на основе достигнуть голографического Полученные автором параметры позволяют сделать вывод о том, что СФЭУ с голографическим концентратором имеют достаточно высокую техническую и экономическую эффективности. В диссертационной работе также приведены методы и модели определения выработки электроэнергии СФЭУ в реальных условиях работы, что представляет высокую практическую ценность для установок любого типа. Перечисленные результаты сформулированы в положениях, выносимых на защиту, которые объективно и правильно изложены. Выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, достаточно хорошо обоснованы, являются новыми в области разработки и использования энергетических установок на базе возобновляемых источников энергии. Основные результаты диссертации достаточно полно отражены в 10 печатных работах автора, среди которых имеется одна публикация в журнале, рецензируемом ВАК, а также один патент на полезную модель. Основные результаты работы прошли апробацию на различных научно-технических конференциях. По каждой главе приведены аргументированные выводы и по работе в целом-заключение. Автореферат соответствует основным идеям и выводам диссертации, в нем отражен личный вклад автора в проведенное исследование, степень новизны и практическая значимость результатов исследований. Замечания по диссертации. 1. В первой главе и вообще в диссертации нет четкого сравнения параметров и характеристик СФЭУ различных типов - от классической фотоэлектрической батарею и до установки с голографическим концентратором. Также нет сводной таблицы сравнения параметров и характеристик СФЭУ с различными типами концентраторов – с голографическим, на основе плоских и сферических зеркал, на основе оптических линз и призм. Это не позволяет их четко классифицировать и оценить их практическое применение. 2. На рис.2.8 приведена базовая конструкция СФЭУ на основе голографического концентратора, где только в ходе обсуждений с автором выяснилось, что на 6 боковых гранях стеклянной волноводной пластины должны быть зеркальные покрытия, т.к. в противном случае неизбежны значительные потери солнечной энергии. 3. На рис.2.19 приведена итоговая спектральная характеристика пропускания голограммного оптического элемента, представленная в виде «порлочки» с постоянными значениями. Это вызывает сомнение, т.к. спектральное пропускание сильно зависит от материала ГОЭ, его дифракционной структуры и должно плавно изменяться в зависимости от длин волн проходящего света. 4. В выводах по главе 2 на стр.67 указывается, что выбран оптимальный тип структуры ГОЭ для применения в СФЭУ. Однако это утверждение ничем не подтверждается и с моей точки зрения этот тип конструкции СФЭУ не является оптимальным. 5. Уравнение теплового баланса (3.4) на стр. 73 написано неправильно, т.к. в одном уравнении суммируются тепловые потоки с электрической мощностью на выходе СФЭУ. Представленная на рис.3.5 модель теплообмена не учитывает скорость ветра и обмен энергии при этом, что очень некорректно. 6.Редакционные замечания: - на рис.2.9, рис.2.11, рис.2.13 нет обозначений по осям координат, что затрудняет понимание рассматриваемого материала; -на рис.21.5, рис.2.16, рис.2.17 недостаточно четко обозначены графики распределения комплексной амплитуды световой волны на выходе ГОЭ для различных длин волн; -показаны только результирующие спектральные характеристики ГОЭ, промежуточных выкладок нет, что также затрудняет проверку и понимание полученных математических результатов; - на рис.3.1 (стр. 68) перепутаны позиции, показывающие отдельные элементы в схеме разрабатываемой СФЭУ, т.е. позиции 1 и 5 показывают один и тот же элемент, хотя они явно разные; - рис.3.4 и рис.2.8 являются полностью одинаковыми, что вызывает естественный вопрос - зачем это сделано. 7
