ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА доктора технических

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