Аслиддин гуломович разработка фотоэлектрических установок для использования в сельском хозяйстве

На правах рукописи

УДК 662.997.534.

КОМИЛОВ АСЛИДДИН ГУЛОМОВИЧ РАЗРАБОТКА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ 05.14.08 – Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАШКЕНТ – 2012

Работа выполнена в Каршинском инженерно-экономическом институте и в Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» им. С.А.Азимова АН РУз доктор технических наук,

Научный консультант:

Турсунов Мухамад Нишанович доктор технических наук, проф.

Официальные оппоненты:

Алиев Райимжон Усманович кандидат технических наук, с.н.с Авезова Нилуфар Рабонакуловна Ташкентский государственный технический

Ведущая организация:

университет

Защита состоится “”2012г. в часов на заседании Специализированного совета Д.015.08.01. при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз по адресу: 100084, Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2Б. Тел:

(8-10-9871)-233-12-71;

Факс: (8-10-99871)-235-42-91;

Е-mail:[email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического ин ститута НПО «Физика-Солнце» АН РУз

Автореферат разослан “_”_2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: г. Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2Б, ученому секрета рю Специализированного совета Д.015.08.01.

Ученый секретарь Специализированного совета д.ф.-м.н., профессор А.В. Каримов 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность работы. Перспективность развития энергетики, базирующейся на использовании возобновляемых источников энергии (ветер, солнце, морские приливы и отливы, геотермальные источники и др.), доказано многочисленными ис следованиями последних лет [1,2,3]. Сельское хозяйство - это одна из самых важных отраслей производства в мире. Вся ее продукция является возобновляемой и осно вана на «жатве солнца», так как производится за счет фотосинтеза и процессов про изводства биомассы. К тому же, большинство процессов обработки, переработки и хранения продукции можно осуществлять за счет солнечней энергии [4]. Потреб ность использования солнечной энергии в сельском хозяйстве обусловлена тем, что сельскохозяйственные угодья - это большие площади (поля посева, пастбища) с ма лой плотностью энергопотребления. Это делает их экономически нецелесообразны ми для централизованного электроснабжения.

На сегодняшний день в мире 1.6 миллиарда людей не имеют доступа к элек тричеству [5]. В Узбекистане существует 4500 отдаленных поселений, которые труднодоступны для централизованного обеспечения электричеством и газом [6].

Большая часть населения в этих местностях живет за счет сельского хозяйства. В целом, сельское хозяйство в Узбекистане является отраслью, которая дает 25% ВВП, 60% экспорта и обеспечивает 34 % всех рабочих мест [7] и электрическая энергия очень важна для производства, переработки и хранения сельхозпродукции. Напри мер, вентиляция помещений для хранения продукции, содержания скота и птиц очень важна, особенно в летнее время года. Добыча подземных вод, поение живот ных и орошение происходит посредством насосов с электрическими двигателями;

освещение и контрольно-измерительные приборы;

малые производственные мощ ности, такие как мельница, конвейерная лента, инкубатор, хранилище;

средства коммуникации и ежедневно используемые бытовые электроприборы не могут рабо тать без электричества. Погрузочные машины, питающиеся на электрических бата реях, существуют уже давно, успешно используются мини тракторы, работающие на электричестве [8].

Из возобновляемых видов энергии наиболее изученным и готовым к широко масштабному применению является солнечная энергия. Фотоэлектрический метод преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию является одним из ключевых направлений для энергообеспечения сельского хозяйства во всем мире, в том числе в нашей республике. Основной схемой использования сол нечного электричества в сельском хозяйстве является его производство посредством фотоэлектрических установок, аккумулирование (зарядка батарей) и параллельное использование в течение дня. Мощность системы рассчитывается исходя из потреб ности хозяйства в электроэнергии. Основным критерием эффективности системы для сельского хозяйства является наиболее высокий коэффициент полезного дейст вия для выработки максимально возможного количества электроэнергии за день.

Данный критерий не всегда подходит для условий города, и особенно в больших метрополиях, где фотоэлектрических установок должны соответствовать эстетике и форме внешнего дизайна здания и их потенциал не всегда используется полностью.

В большинстве случаев они не находятся под оптимальным углом к солнцу, особен но при расположении параллельно фасадным стенам, и частично покрыты тенью близлежащих сооружений. К тому же, доступ к централизованному дешевому элек тричеству снижает их значимость. В связи с этим, разработка высокопродуктивных фотоэлектрических установок с учетом конкретных территориальных особенностей должна проводиться в первую очередь исходя из потребностей и условий сельского хозяйства.

Степень изученности проблемы. Эффективность преобразования солнечной энергии в фотоэлектрических батареях имеет теоретический предел. Для фотоэлек трических батарей на основе кристаллического кремния она составляет около 25 26%. Современные установки имеют КПД близкий к теоретическому и его даль нейшее повышение с технической точки зрения очень трудно.

Физические параметры существующих преобразователей в условиях жаркого климата ухудшаются значительно, в том числе КПД фотоэлектрических батарей па дает почти в два раза [9]. Таким образом, следующим этапом развития и усовершен ствования фотоэлектрических батарей на основе кристаллического кремния стало исследование и разработка технических решений обеспечения устойчивой работы установок в различных климатических условиях. В этой всязи в мировой практике предлагается создание комбинированного фото-тепло-преобразователя, т.е. совмещен ные в одну систему фотоэлектрический модуль и теплопреобразователь [10,11,12]. В такой системе происходит улучшение фотоэлектрических параметров фотоэлектри ческих батарей за счет дополнительного охлаждения с помощью теплоносителя и повышение общего КПД из-за нагревания теплоносителя. Узбекскими учёными проводятся целенаправленные исследования по разработке фототеплопреобразова телей с учетом их конкретных условий работы [13,14].

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Тема дис сертации непосредственно связана с тематическими планами научных исследований прикладных проблем АН РУз на 2009 - 2011 гг. (ФА-А14-Ф-099 Разработка комби нированных фототеплопреобразователей на основе кремниевых солнечных элемен тов).

Цель исследования: разработка и повышение эффективности солнечных фо тоэлектрических установок с дополнительным теплоотводом.

Задачи исследования:

1. Исследование и анализ фотоэлектрических батарей и систем утилизации тепла с целью выявления наиболее эффективной системы теплоотвода для создания фотопреобразователя с теплоотводом.

2. Экспериментальные исследования по определению изменения КПД фото электрических батарей и систем утилизации тепла в конкретных условиях, и уста новление оптимального режима работы установки фотопреобразователя с теплоот водом.

3. Математическое моделирование и численный расчет теплового режима, изменения электрического и термического КПД.

4. Разработка и исследование усовершенствованной системы фото преобразователя с теплоотводом для использования в региональных условиях Рес публики Узбекистан.

Объект и предмет исследования: объектом исследования являются солнеч ные батареи и фотопреобразователи с теплоотводом.

Предметом исследования являются закономерности влияния солнечного излу чения и параметров окружающей среды на параметры фотопреобразователя с теп лоотводом.

Методы исследований: в процессе выполнения работы применялись физиче ские модели процессов электрического и теплового преобразования, прохождение и поглощение энергии солнечного излучения в структуре солнечного фото и тепло преобразователя согласно методам теоретических основ теплотехники. Эксплуата ционные параметры фотоэлектрических батарей и фотопреобразователя с теплоот водом изучались путем математического моделирования и проведением экспери ментальных исследований в лабораторных и натурных условиях.

Гипотеза исследования: основана на ожидаемом сравнительном увеличении электрического КПД фотоэлектрического модуля за счет снижения его температуры путём теплосъема с помощью теплоносителя.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета общего КПД фотопреобразователя с теплоотводом с по мощью эксэргетического анализа.

2. Модель фототеплопреобразователя с прямым контактом фотоэлектрическо го модуля с теплоносителем, имеющая поддерживающую арматуру, предотвра щающую изгиб дна канала теплоотвода под воздействием гидростатического давле ния теплоносителя, и специальную сборочную конструкцию для устойчивости и об легчения производства (патент №FAP00636);

3. Технолгия изготовления опытных образцов фотоэлектрических батарей и фотопреобразователя с теплоотводом, методы повышения их теплотехнических, технико-экономических и ресурсных показателей.

Научная новизна:

1. Предложена динамическая модель для определения влияния температуры окружающей среды на физические характеристики фотопреобразователя с теплоот водом.

2. Экспериментально показана возможность существенного повышения КПД фотоэлектрического модуля путем осуществления непосредственного теплового контакта его донной части с теплоносителем.

3. Предложена методика расчета позволяющая определить влияние гидроста тического давления теплоносителя на материал донной части и стекла фотоэлектри ческого модуля, оценить оптимальную толщину листа материала донной части ка нала теплоотвода и стекла фотоэлектрического модуля, вес установки (затрату ма териала) и коэффициента запаса прочности при требуемом значении изгиба пласти ны.

4. Проведена оценка эффективности фотоэлектрического модуля с теплоотво дом на основе эксергетического анализа.

5. Выбраны и обоснованы технологические и конструктивные параметры фо топреобразователя с теплоотводом обеспечивающие максимум выработки электро энергии.

Научная и практическая значимость результатов исследования:

1. Результаты комплексных исследований по повышению эффективности фо топреобразователя с теплоотводом с учетом взаимосвязей их отдельных элементов с общей системой могут быть использованы для.создания нового поколения фото преобразователей с использованием теплоотвода.

2. Разработаны рекомендации и предложения по созданию фотопреобразова теля в системе без теплоизоляции с КПД большей на ~8%, по сравнению с система ми с изоляцией.

Реализация результатов. Результаты работы внедрены в учебный процесс направления «Теплоэнергетика» по рекомендации учебно-методического совета Каршинского инженерно - экономического института.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложе ны и обсуждены на международных и республиканских конференциях: “Проблемы фундаментальной и прикладной физики" (Ташкент, 2004-2005-2006);

“VUB Poster presentation day“ (Belgium, 2010);

“Инновационные технологии“ (Карши, 2011;

“Фан, тараиёт ва ёшлар” (Карши, 2008);

“Физика таълими тараиёти ва истиболлари” (Карши, 2008);

на объединенном научном семинаре специализированного совета Д015.08.01 при ФТИ АН РУз.

Опубликованность результатов. По теме диссертационной работы опубли ковано 12 печатных работ, в том числе 5 статей (3 из них в зарубежных изданиях), а остальные в трудах международных и научных конференций. Получен 1 патент Рес публики Узбекистан.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и заключения, списка использованной литературы из 96 наименований, из ложена на 113 страницах, содержит 13 таблиц и 74 рисунка.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснованы актуальность темы и выбор объектов исследования, изложены цели, задачи, новизна результатов и практическая ценность работы.

В первой главе проанализированы теоретические и экспериментальные ис следования по фотоэлектрическому преобразованию солнечной энергии, влияние окружающей среды на эффективность фотоэлектрических батарей, состояние ис следовательских работ по системам фотопреобразователей с теплоотводом на теку щее время и их основные недостатки. Сформулированы цели и задачи, исследова ния.

Во второй главе приведены результаты по моделированию рабочих режимов и компонентов, а также расчеты возможного поведения характеристик фотопреобра зователя с теплоотводом, Для анализа работы фотопреобразователя с теплоотводом и создания наиболее эффективного прототипа произведено моделирование его работы и отдельных ком понентов. Рассмотрено моделирование фотоэлектрического модуля как многослой ной структуры (рис. 1).

Рис. 1. Схема и тепловые параметры моделирования фотоэлектрического модуля Для использования математической модели фотоэлектрического модуля в мо делировании фотопреобразователя с теплоотводом вносится изменение расчета тыльной стороны фотоэлектрического модуля, так как она будет иметь теплообмен не с окружающей средой, а с теплоносителем.

а) б) а)- ФПсТ, б)- БА.

Рис. 2. Схема и тепловые параметры моделирования фотопреобразователя с теплоотводом с бака аккумулятора Модель фотопреобразователя с теплоотводом в рис. 2 включает в себя, модели окружающей среды, фотоэлектрического модуля, канала теплоотвода (КТ) и бака, аккумулирующего теплую воду бака аккумулятора (БА). При этом, энергия погло щаемая фотоэлектрическим модулем равна (1) Qфэм = Qс Qвсг Qcэ Qэл Qнсг U верх Qhв Энергетический балансе теплоотвода рассчитывается по формуле:

(2) Qhв Qk Qm U низ Энергетический балансе бака аккумулятора рассчитывается по формуле:

(3) Qб Q т U б Используя данную модель, рассчитаны фотопреобразователи с теплоотводом следующих конструкций с изоляцией и без изоляции канала теплоотвода и бака ак кумулятора.

Таблица 1.

Параметры и условные обозначения различных конструкций фотопреобразо вателя с теплоотводом Конструкция № Параметры А* Б В Г Д Д’ 1 Объём теплоносителя (л) 6 6 6 50 6 2 Размер поверхности (мХм) 0.4Х0.5 0.4Х0.5 0.4Х0.5 0.4Х0.5 0.6Х1.0 0.6Х1. 3 Угол наклона (°) 40 40 40 40 40 4 Сторона наклона Длина Длина Длина Длина Длина Ширина 5 Высота КТ (м) 0.005 0.002 0.01 0.005 0.005 0. * соответствует экспериментальному образцу Результаты моделирования конструкций А, Б и В представленные на рис. показывают, что их поведения идентичны. Из этого следует, что высота канала теп лоотвода имеет незначительное влияние на поведение установки.

Для выяснения влияния объема теплоносителя на КПД установки с помощью разработанной математической модели проведены расчеты конструкций А и Г.. В табл. 2 приведены значения среднего дневного относительного КПД фотоэлектриче ских батарей и фотопреобразователей с теплоотводом конструкций А и Г.

1- Д1А, 2-Д1Б, 3-Д1В, 4- Д1А‘, 5- Д1Б‘, 6- Д1В‘, 7- Д2А, 8- Д2Б, 9- Д2В, 10- Д2А‘, 11- Д2Б‘, 12- Д2В‘, ‘- означает, что тыльная сторона фотоэлектриче ского модуля и бака ак кумулятора абсолютно изолированы Рис. 3. Относительный КПД в течение дня фотопреобразователя с теплоотводом с высотой КТ 2 мм (Б), 5мм (А), 10мм (В) Из полученных данных видно, что КПД фотопреобразователя с теплоотводом в течение дня может быть в среднем 60% выше, чем у фотоэлектрического модуля.

Анализ полученных данных таб. 2.2 показывает, что средний дневной электриче ский КПД фотопреобразователя с теплоотводом с объемом теплоносителя 6 л, на 17-32% выше, чем у фотоэлектрического модуля без теплосъема. С увеличением изо лированности тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора электриче ский КПД фотопреобразователя с теплоотводом ухудшается на 9% и 12% при объ еме теплоносителя 6 и 50 л, соответственно. Электрический КПД фотоэлектрическо го модуля с увеличением изолированности тыльной стороны ухудшается на 24%.

При теплосъеме, т.е. при использовании выработанной термической энергии уста новки средний дневной электрический КПД фотопреобразователя с теплоотводом на 18-58% выше, чем у фотоэлектрического модуля. Ухудшение КПД за счет изоли рованности тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора у фотопреоб разователя с теплоотводом в данном случае не происходит.

Таблица Средние дневные относительные КПД фотоэлектрической батареи и фотопреобразователя с теплоотводом конструкций А и Г Условие ФЭМ А Г А/ФЭМ Г/ФЭМ Г/А без теплосъема Д1 0.84 0.98 1.04 1.17 1.24 1. Д1’ 0.70 0.91 0.94 1.29 1.35 1. Д2 0.73 0.86 0.92 1.18 1.25 1. Д2’ 0.59 0.79 0.82 1.32 1.39 1. с теплосъемом Д1 0.84 0.99 1.04 1.18 1.25 1. Д1’ 0.70 0.99 1.04 1.41 1.49 1. Д2 0.73 0.93 0.95 1.28 1.29 1. Д2’ 0.59 0.94 0.95 1.58 1.60 1. Коллекторная часть экспериментальной установки является каналом глубиной в несколько миллиметров, нижняя часть которой изготовлена из металлического листа. При изготовлении конструкции замечено, что имеет место изгиб листа под собственным весом. Предположено, что данный изгиб увеличивается за счет гидро статического давления теплоносителя (ГСДТ) во время работы установки. За счет этого происходит деформация коллектора, что может привести к разрушению фото преобразователя или его отделению от коллектора, что в свою очередь нарушит це лостность конструкции и приведет утечке теплоносителя.

Таким образом, требуется произвести расчет гибкости металлического листа, использованного для дна коллектора. Производимым расчетом также определяется минимальная толщина листа, так как от нее зависит вес конструкции.

При расчете изгиба используется классическое уравнение пластины и решает ся биквадратным интегралом:

p 4, (4) D E где: p - нагрузка;

D – коэффициент прочности;

D ;

E - модуль Юнга (рас 12( 1 v 2 ) тяжения), - толщина материала;

v - коэффициент Пуассона.

Расчет ГСДТ производится по следующей формуле:

(5) Ph hg cos где: h - размер наклонной стороны, - плотность жидкости, g - ускорение свободно го падения, - угол наклона.

Коэффициент запаса прочности в разных точках рассчитывается следующим образом:

запас прочности при действии нормального напряжения:

;

(6) F запас прочности при действии косвенного напряжения:

, (7) F где: F - действующее на материал напряжение (Н/м2);

и - пределы выносливости материала (Н/м ) при действии нормального и косвенного напряжения, соответственно.

С помощью формул (6) и (7) определяются наиболее уязвимые точки в конст рукции. Недопустимо, чтобы коэффициента запаса прочности в любой точке был меньше 1.

1- напряжение (МПа), 2- КЗП каленого стекла, 3- КЗП обычного стекла, 4- изгиб (мм) Рис. 4. Данные расчета стекла разной толщины для конструкции А Из рис. 4. видно, что изгиб стекла под воздействием ГСДТ для конструкции А меньше 1 мм при толщине стекла более 2.5 мм. Согласно таблице 2.1, при использо вании стекла толще 2.5 мм коэффициента запаса прочности равен 2 и 5 для обычно го и закаленного стекла, соответственно. Данный расчет показывает, что для конст рукции фотоэлектрического модуля фотопреобразователя с теплоотводом площадью 0.4х0.5 мхм можно использовать стекло толщиной 2.5 мм. Расчеты стекла для кон струкции Д показали, что в данной конструкции для получения изгиба ниже 1 мм надо использовать стекла толще 5 мм. В этих случаях коэффициента запаса прочно сти равен 2 и 4.6 и выше для обычного и закаленного стекла, соответственно. Такое предположение верно для случая установления установки с продольным наклоном, а для установки, установленной с поперечным наклоном, для получения изгиба ни же 1 мм можно использовать стекла от 4 мм, коэффициента запаса прочности при этом будет равен 2.4 и 5.8 и выше для обычного и закаленного стекла, соответствен но. Проектирование фотопреобразователя с теплоотводом с фотоэлектрическим мо дулем площадью 1х0.6 метров целесообразно с наклоном в ширину, так как это сни зит вес и стоимость конструкции.

Таким же способом рассчитаны возможные толщины металлического листа дна КТ. На рис. 5 видно, что изгиб листа под воздействием ГСДТ для конструкции А ниже 1 мм при толщине листа выше 1.8 мм. Для такого листа коэффициента запа са прочности равен 2 и выше. Использование канала теплоотвода в такой конструк ции добавляет 3 кг веса на вес конструкции фотоэлектрического модуля без рамы (около 3 кг). Полученные результаты расчета на изгиб железа для конструкции Д показывают, что в данной конструкции для получения изгиба ниже 1 мм надо ис пользовать лист толще 3.5 мм, коэффициента запаса прочности которого равен 3 и более. Использование канала теплоотвода в такой конструкции добавляет 13 кг веса на вес конструкции фотоэлектрического модуля без рамы (около 6 кг). В случае лис та железа, также как и в случае стекла, данные предположения верны для случая ус тановления установки с продольным наклоном, а для установки, установленной с поперечным наклоном, для получения изгиба ниже 1 мм можно использовать лист толщиной от 2,5 мм и более. коэффициента запаса прочности при этом будет равен 2.3 и выше. Масса такого листа составляет около 10 кг.

1- КЗП, 2- вес (кг), 3- изгиб(мм) Рис. 5. Расчетные данные железной пластины дна канала теплоотвода различной толщины для конструкции А В третьей главе приведены особенности разработанных и использованных нами расчетов экспериментальных данных и условия, при которых были проведены эксперименты. Описан фотопреобразователь с теплоотводом на котором проводи лись эксперименты. На основе анализа предыдущих данных разработана установка фотопреобразователь с теплоотводом с системой теплоотвода с естественным пото ком теплоносителя.

а) б) выход горячей воды, вход холодной воды Рис. 6. Схема (а) и геометрия экспериментального фотопреобразователя с теплоотводом (б) Изготовленная установка состоит из двух частей, на фронтальной плоскости установлен фотоэлектрический модуль, под ним - канал (коллектор) теплоотвода.

Фотоэлектрический модуль в данном случае служит в качестве верхней части КТ.

На рис. 6. показан общий вид системы. Фотоэлектрический блок фотопреобра зователя с теплоотводом, площадью 0.2 м (0.5х0.4 мхм), изготовлен на основе СЭ из монокристаллического кремния. Коллектор теплоотвода имеет глубину 5 мм и сделан из оцинкованного железа. Имеется также резервуар, аккумулирующий воду:

бак – 5 литровая ёмкость из полиэтилена, который находится в цилиндре, заполнен ном SPF (спрей-пена полиуретана) изоляцией. Теплотехнические параметры мате риалов установки (оцинкованное железо, герметик, стекло и др.), и их совмести мость для создания данной установки были исследованы и подтверждены в ходе на учного проекта «Разработка фотоэлектрической установки на основе кремниевых солнечных элементов эффективно работающих в условиях жаркого климата» вы полненного в ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз. 2006-2008 г.г. На рис. 7. пока зана схема теплоотвода, в котором используется естественный поток.

1- коллектор теплоотвода, 2- бак аккумулятор воды, 3- вход воды, 4- выход воды, 5- подпитка воды, 6- нагретая вода потребителю Рис. 7. Схема теплоотвода фотопреобра зователь с теплоотводом с естественной циркуляцией Для выяснения влияния теплоотвода на температуру фотоэлектрического мо дуля, в лабораторных условиях проведены эксперименты на установке фотопреобра зователь с теплоотводом с помощью имитатора солнца. Эксперименты проведены на фотопреобразователе с теплоотводом с теплоизоляцией и без теплоизоляции тыльной поверхности.

1- Тсэ, 2- Тсэ*, 3- Твых, 4- Твых*, 5- Тв, 6- Тв*, 7- Твх;

, 8- Твх* Рис. 8. Результаты математического моделирования и экспериментальные данные ФПсТ без изоляции тыльной поверхности КТ в лабораторных условиях: I= 600 Вт/м и Тос=18С Сравнение результатов математической модели фотопреобразователя с тепло отводом и экспериментальных данных, показано на рис.8.

1- Тсэ, 2- Тсэ*, 3- Твых, 4- Твых*, 5- Твх, 6- Твх*.

Рис. 9. Результаты математической модели фотопреобразователя с теплоотводом и экспериментальные данные снятые 21 апреля 2011 г.

На рис. 9 показано сравнение результатов математической модели фотопреоб разователя с теплоотводом и данных экспериментов в натурных условиях. Разрабо танная модель показала результаты очень близкие к экспериментальным и может быть использована для расчета поведения установки в различных условиях. Это об легчит работу по определению эффективного режима работы и усовершенствова нию установки.

Рис. 10. Изменения вольтамперные характе ристики системы в зави симости от температуры Как видно на рис. 10, наиболее чувствительным к изменению температуры яв ляется напряжение, хотя J кз увеличивается с ростом температуры незначительно, J mpp уменьшается за счет снижения FF. Это показывает что изменение (понижение) КПД и производительности фотоэлектрических батарей под действием температу ры, на прямую зависит от напряжения.

В четвертой главе приведен анализ формирования эффективности и произ водительности разработанной фотопреобразователя с теплоотводом с заданными параметрами.

1- Д2Г‘, 2- Д1Г‘, 3- Д2А‘, 4- Д2А, 5- Д1А‘, 6- Д1А, 7- Д2Г, 8- Д1Г, ‘-означает, что тыльная сторона установки абсо лютно изолирована.

Рис. 11. Эксэргетический КПД теплопроизводства фотопреобразователя с теплоотводом конструкций А и Г в течение дня при условиях На рис. 11 видно, что установка конструкции Г с теплоизоляцией имеет наи больший эксэргетический КПД теплопроизводства, до 3%. В нашем случае это со ставляет около 50% от номинального электрического КПД установки. Но данное со отношение может быть другим в случае фотопреобразователя с теплоотводом с бо лее высоким электрическим КПД. Поэтому рассчитаны изменения общего КПД ус тановок с разными номинальными электрическими КПД. Для определения влияния номинального электрического КПД на общий КПД установки рассчитаны их соот ношения.

На рис. 12 видно, что в конструкции с малым объемом теплоносителя общий КПД ниже в установках с большим номинальным электрическим КПД. При исполь зовании большего объёма теплоносителя общий КПД незначительно, но повышает ся с повышением номинального электрического КПД в установках с изоляцией тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора. Общий КПД конструк ции Г выше, чем у конструкции А. При использовании большего объёма теплоноси теля как общий КПД, так и электрический КПД фотопреобразователя с теплоотво дом больше. Значения общего КПД конструкции Г с теплоизоляцией и без тепло изоляции тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора почти не отли чаются, а согласно выводам 2- главы, ухудшение электрического КПД из-за изоля Г ции составляет 10-12%.

Г' 1- Д1Г‘, 2- Д1Г, 3- Д1А, 4- Д1А‘, 5- Д2Г‘, 6- Д2Г, 7- Д2А, 8- Д2А‘, ‘-означает, что тыльная сторона установки абсо лютно изолирована Рис. 12. Общий относительный КПД фотопреобразователя с теплоотводом конструкций А и Г с разными номинальными электрическими КПД при условиях Таким образом, для выработки и использования только электрической энергии целесообразно использование установки без теплоизоляции тыльной стороны кана ла теплоотвода и бака аккумулятора. Для выработки и использования электрической и тепловой энергии целесообразно использование установки с теплоизоляцией тыль ной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора.

Если интерполировать данные таблицы 2. исходя из изменений уровня сол нечной радиации и температуры воздуха, можно спрогнозировать суммарную раз ницу электрических производительностей фотоэлектрического модуля и фотопре образователя с теплоотводом от номинала. Ухудшение КПД фото-электрических ба тарей, как показано на рис.13, в несколько раз больше чем у фотопреобразователя с теплоотводом.

Рис. 13. Максимальные дневные температуры дня (3) и средние дневное ухудшение КПД установ ки ФЭМ (1) и ФПсТ (2) в течение года За счет предотвращения ухудшения вольтамперные характеристики из-за воз действия температуры системы используемый фотопреобразователь с теплоотводом производит на 10-15% больше электричества и теплую воду в 35°C. В ходе испыта ний построенная экспериментальная установка доказала своё преимущество по сравнению с фотоэлектрической батареей. Но при этом были также выявлены не достатки системы, которые должны быть усовершенствованы для достижения луч ших результатов.

1- стекло 2- герметик 3- солнечные элементы 4- поглощающий слой 5- защитная пленка 6- корпус канала теплоотвода 7- корпус установки (кожух) 8- теплоизоляция 9- канал теплоотвода 10- трубка входа воды 11- упорная арматура Рис. 14. Сечение фотопреобразователя с теплоотводом центральной вертикальной плоскостью (а) и горизонтальное сечение упорной арматуры (б) Более простое решение устойчивости канала теплоотвода к гидростатическо му давлению - это установление поддерживающей арматуры. Она обеспечивает на дежный контакт коллектора с модулем и предохраняет коллекторную часть от де формирования под влиянием статического давления теплоносителя. Арматура вы полнена в виде рёбер, разделяет площадь на несколько (2 и больше) прямоугольни ков и снизу плотно упирается на нижнюю часть корпуса как показано на рис. 14.

Такая конструкция позволяет равномерное сопротивление и гашение статического давления теплоносителя на нижнюю часть коллектора и обеспечивает надежную це лостность конструкции.

1- бак аккумулятор воды 2- трубка выхода нагретой воды 3- спиралевидный контур теплоносителя 4- ФЭМ 5- трубка выхода воды из КТ 6- трубка входа холодной воды 7- трубка входа воды в КТ Рис. 15. Схема усовершенствован ной системы фотопреобразователь с теплоотводом В вышеупомянутых схемах теплоносителем служит нагреваемая вода, которая течёт через КТ. При этом есть вероятность засорения коллектора и закупоривания входа хлором и другими компонентами, которые содержатся в воде. В отличие от прежней конструкции, данная система имеет закрытый контур теплоносителя, часть которого находится в аккумулирующем баке воды, который из-за этого рассматри вается как теплообменник. Система схематически изображена на рис. 15. Для облег чения процесса сборки установки рекомендуется использование конструкции тепло отводной части из двух раздельных частей, рис.16.

а)- верхняя часть коллектора, б)- нижняя часть коллектора, в)- система в собранном виде Рис. 16. Вид сверху (верхний рис.) и в разрез (нижний рис.) Для снижения веса конструкции и увеличения коэффициента запаса прочно сти предлагается использовать волнообразный лист для конструкции дна КТ. На рис. 17, показаны расчетные данные волнообразной железной пластины конструк ции размером А. Видно, что данная конструкция может быть изготовлена из метал лического листа толщиной меньше 0.5 мм, при этом вес будет около 1 кг (при ис пользовании обычного листа 3 кг).

1- КПЗ, 2- вес(кг), 3- изгиб(мм) Рис. 17. Данные расчета волнообразной железной пластины разной толщины размером конструкции А В работе рассматриваются результаты исследований по созданию комбиниро ванной системы солнечного электро-теплоснабжения (ССЭТС) для энергообеспече ния объектов, удаленных от централизованных источников энергии. Реализация ССЭТС может обеспечить замену традиционно используемых для электроснабже ния бензоэлектрических или дизельных агрегатов в сфере отдельных фермерских хозяйств, занимающихся птицеводством, пчеловодством, садоводством и другими видами деятельности, что важно с точки зрения экономии топливно-энергетических ресурсов и сохранения экологии, а также социального эффекта – улучшения произ водственно-бытовых условий сельского населения.

В таблице 3. приведены виды энергопотребления средней семьи при эконо мичном режиме.

Таблица 3.

Энергопотребление приборов используемых в средней семьи при экономичном режиме № Прибор Потребление Время За день (Вт) (час) (Вт*ч) 1 водоподъемный агрегат 20 1 2 осветительные лампы 100 3 3 Телевизор 25 4 4 Вентилятор 10 5- 5 Ноутбука 30 2 6 Холодильник прерывисто постоянно Итого По полученным данным при проведении экспериментов на территории уро вень суточной суммарной солнечной радиации составляет примерно 2 кВтч/м зи мой и 7 кВтч/м летом, при этом фотоэлектрическая батарея с КПД 15% выраба тывает 0.3 – 1 кВтч/м энергии.

Потребление 600 Втч в день теоретически покрывается системой фотоэлек трических батарей 1.5 м, так как в зимнее время потребление вентилятора и холо дильника можно игнорировать. По расчетам, для фермерского хозяйства, занимаю щегося растениеводством, в день в среднем необходимо примерно 300 литров воды с температурой 40-50оС. Для этого нужно определиться источником энергии для по вышения температуры воды и использование солнечного коллектора наиболее целе сообразно. Использование 1 м солнечного коллектора (СК) в комбинации с 1.5 м фотопреобразователя с теплоотводом (ФПсТ) позволит покрыть как электрическую потребность, так и потребность в теплой воде. Хотя производство теплой воды в хо лодное время года снижается, есть возможность установления дополнительного СК и ценовое повышение составит около 10%. Но при этом существует возможность снижения цены фотопреобразователя с теплоотводом, так как комбинированная система ФПсТ+СК позволяет использование фотопреобразователя с теплоотводом только в теплое время года и без теплоизоляции.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Предложена динамическая модель фотопреобразователя с теплоотводом, по зволяющая определить степень влияния температуры окружающей среды на его фи зические характеристики и на основе её реализации выявлен эффективный эксплуа тационный режим работы установки.

2. Установлено преимущество теплоотвода от ФЭМ путем непосредственного теплового контакта теплоносителя с его донной частью.

3. Предложено расчетное выражение для определения влияния гидростатиче ского давления теплоносителя на материал донной части и стекла ФЭМ, позволяю щее определить оптимальную толщину листа материала донной части коллектора и стекла ФЭМ, вес установки (затрату материала) и коэффициента запаса прочности (КЗП) при требуемом значении изгиба пластины.

4. На основе натурных экспериментов по определению влияния температуры ок ружающей среды на физические характеристики фотопреобразователя с теплоотво дом выявлены отклонения их от стандартных значений.

5. Предложена волнообразная конструкция дна коллектора теплопреобразовате ля, учитывающая устойчивость установки к гидростатическому давлению теплоно сителя и обеспечивающая снижение его веса более чем в два раза.

6. Предложена система электро-теплоснабжения маломощных потребителей на базе фотопреобразователя с теплоотводом.

Список использованной литературы 1. Komilov A. Renewable Energy in Uzbekistan – Potential and Perspectives // PPRE publication. -Oldenburg, Germany, 2002. - Р. 246-256.

2. Комилов А. Study of cost effectiveness and perspectives of renewable energy utili zation in Uzbekistan // Проблемы фундаментальной и прикладной физики: Тез.

докл. Межд. конф. 18-19 ноябрь 2004. – Ташкент, 2004. -С. 152-154.

3. Комилов А. Роль использования возобновляемых источников энергии в повы шение эффективности энергоснабжения в Узбекистане // III конференция моло дых специалистов получивших образование за рубежом. – Ташкент, 2005. –Т. 8.

-С. 253-260,.

4. Sylvan H. Wittwer. Solar energy and agriculture // Cellular and Molecular Life Sci ences. Basel, 2007. – V. 38. -№1. - Р. 10-13.

5. Liz Bates, Steven Hunt, Smail Khennas, Nararya Sastrawinata. Expanding Energy Access in Developing Countries.New York, 2009. –UNDP.

6. Зохидов Р. Renewable energy sources – new turn in energy // Гелиотехника. - Таш кент, 2002. - №2. –С. 16-22/ 7. The World Bank. Integrating Environment into Agriculture and Forestry Progress and Prospects in Eastern Europe and Central Asia: UZBEKISTAN - Country Review. November 2007. -Washington 2007. – V. II. –P.2.

8. Renewable Energy Agricultural Multipurpose System for Farmers, supported by the European Commission, www.ec-ramses.org 9. Комилов А. Г., Турсунов М. Н., Муминов Р. А. Исследование возможности по вышения эффективности использования солнечной энергии в жарких климати ческих условиях // Гелиотехника. – Ташкент 2008 - №2.-С. 32-35.

10. Joshi A.S., Tiwari A., Tiwari G.N., Dincer I., Reddy B.V. Performance evaluation of a hybrid photovoltaic thermal (PV/T) (glass-to-glass) system // International Journal of Thermal Sciences. –Amsterdam, 2009. - №48. -Р.154– 11. Chow T.T., Pei G., Fong K.F., Lin Z., Chan A.L.S., Ji J. Energy and exergy analysis of photovoltaic–thermal collector with and without glass cover. - Applied Energy/ Amsterdam, 2009. - №8. -Р. 310– 12. Fraisse G., Menezo C., Johannes K. Energy performance of water hybrid PV/T collec tors applied to combi systems of Direct Solar Floor type. - Solar Energy. -Freiburg, 2007. - №81. -Р.1426– 13. Мирзабаев М. М., Мирзабаев А. М., Кононеров В. П., Турсунов М. Н., Тукфа туллин О.Ф. Фототеплопреобразовательные установки с кремниевыми солнеч ными элементами // Гелиотехника. – Ташкент, 2007. - № 2.- С.17–21.

14. Турсунов М.Н., С.Дадамухамедов, Кононеро В.П., Мирзабаев.М., Тукфатуллин О. Ф. Исследование параметров фототеплопреобразователя на основе кремние вых солнечных элементов // Гелиотехника – Ташкент, 2008. - №1.- С. 24–27.

4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 5.

Комилов А. Г., Турсунов М. Н., Муминов Р. А. Исследование возможности 1.

повышения эффективности использования солнечной энергии в жарких кли матических условиях // Гелиотехника. – Ташкент, 2008. - №2. -С. 32-35.

Турсунов М.Н., Комилов А, Клычев Ш.И. Мухаммадиев С.М. Эффективность 2.

комбинированных фото – тепловых солнечных установок // Гелиотехника Ташкент, 2008. -№3. - С. 164-166.

3. Komilov A., Shodiev R., Uzoqov G. Investigation of feasibility for mini PV/T sys tem in Uzbekistan //Everything About Environment. - Delhi, 2010. - №1. -P. 23-30.

4. Komilov A., Shodiev R., Uzoqov G. Influence of heat removal in small scale PV/T converter at natural conditions. // Popular Business. – China, 2010. - №6. - P. 312 315.

5. Комилов А. Усовершенствование конструкции фотопреобразователя с тепло отводом с помощью математического моделирования // Гелиотехника. - Таш кент, 2011. -№3. - С. 14-16.

Komilov A. Renewable Energy in Uzbekistan – Potential and Perspectives // PPRE 6.

publication, Oldenburg, -Germany, 2002. - P. 246-256.

Комилов А. Study of cost effectiveness and perspectives of renewable energy 7.

utilization in Uzbekistan // Проблемы фундаментальной и прикладной физики:

Тез. докл. Межд. конф. 18-19 Ноябрь 2004. – Ташкент, 2004. - С. 152-154.

8. Комилов А. Роль использования возобновляемых источников энергии в по вышение эффективности энергоснабжения в Узбекистане // III конференция молодых специалистов получивших образование за рубежом. –Ташкент, 2005.

–Т. 8. - С. 253-260,.

9. Комилов А. Солнечное электричество // IV конференция молодых специали стов получивших образование за рубежом 24-25 ноября 2006. –Ташкент, 2006.

– Т.16. - С. 83-89.

10. Комилов А. Повышение эффективности фотопреобразователей в жарких климатических условиях // Фан, тараиёт ва ёшлар: Тез. докл. науч. конф. 7 8 апреля 2008. – Карши, 2008. – С. 240-243.

11. Комилов А. Перспективы изучения и исследования полупроводниковых сол нечных элементов // Физика таълими тараиёти ва истиболлари : Тез. докл.

науч. конф. 23-24 мая 2008. –Карши, 2008. - С. 203-204.

12. Комилов А. Фотопреобразователь с теплоотводом с повышенным термиче ским коэффициентом полезного действия // Инновационные технологии. Карши, 2011. -№2. - С. 164-166.

13. FAP00636. Фототеплопреобразовательная установка / Лутпуллаев С. Л., Тур сунов М. Н., Комилов А.Г, Юлдошев И. А. //Б.И. -2011. -№ Техника фанлари номзоди илмий даражасига талабгор Комилов Аслиддин Гуломовичнинг 05.14.08- айта тикланадиган энергия турлари асосидаги энергия урилмалари ихтисослиги бўйича «ишло хўжалигида ишлатиладиган фотоэлектрик урилмаларни ишлаб чииш» мавзусидаги диссертациясининг РЕЗЮМЕСИ Таянч сўзлар: фотоайлантиргич, иссилик айлантиргич, фотоиссилик айлантиргич, фотоэлектрик модул, фотоэлектрик батарея, энергия сарфи, математик модел, гидростатик босим, уёш радиацияси, атроф муит арорати.

Тадиот объектлари: уёш батареялари ва совитиладиган фото айлантиргичлар, уларнинг характеристикалари амда фойдали иш коэфициенти.

Ишнинг масади: совутиладиган фотоайлантиргич урилмасини ишлаб чииш ва уларнинг самадорлигини ошириш.

Тадиот методлари: ишни бажариш даврида тадиотнинг аналитик ва экспериментал усулларидан фойдаланилган фотоэлектрик батарея ва совитиладиган фотоайлантиргичларнинг эксплуатацион параметрлари математик моделлаштириш амда лаборатория ва табиий шароитларда олиб борилган тажрибалар йўли билан тади илинган.

Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги: урилманинг физик характеристикаларига атроф муитнинг таъсир илишини аниловчи динамик математик модел ишлаб чиилган;

совитиладиган фотоайлантиргичнинг электрик самарадорлиги фотоэлектрик модулникига нисбатан 60% га баландлиги аниланди;

турли ўлчамдаги урилмалар учун фотоэлектрик модул ойнаси ва коллектор пастки исми материалини иссилик ташувчининг гидростатик босими исобга олган холда анилаш исобий ифодалар таклиф этилди;

фотоэлектрик модулнинг максимал совутилиши сув аккумулятори бакининг ва совитиладиган фотоайлантиргич ора исмининг изоляция илинмаганлигида амалга ошиши аниланди.

Амалий аамияти: совитиладиган фотоайлантиргичнинг самарадорлигини ошириш муаммолари мажмуйиниг тадиод натижалари айрим ташкил этувчи исмлари самарадорлигига болилиги хисобга олинган холда совитиладиган фотоайлантиргичларнинг янги авлодини яратишда ишлатилиши мумкин;

фотоэлектрик модулнинг ФИКи, изоляцияланган системага нисбатан ўртача 8%га юори бўлган, сув аккумулятори бакининг ва совитиладиган фотоайлантиргич ора исмининг изоляция илинмаган олатли системалар ясаш учун тавсиялар берилган.

Татби этиш даражаси ва итисодий самарадорлиги: диссертация ишининг натижалари арши муандислик-итисодиёт институти илмий услубий кенгаши арори билан “Иссилик энергетикаси” (бакалавр) йўналиши ўув жараёнига татби этилган.

ўлланиш соаси: фермер ўжалик, амда мавсумий ишлар билан шуулланувчи аоли, яъни асаларичилар ва чупонлар учун мўлжалланган.

РЕЗЮМЕ диссертации Комилова Аслиддина Гуломовича на тему: «Разработка фотоэлектричес ких установок для использования в сельском хозяйстве» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 – Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии Ключевые слова: фотопреобразователь, теплопреобразователь, фототепло преобразователь, фотоэлектрический модуль, фотоэлектрическая батарея, энергопот ребление, математическая модель, гидростатическое давление, солнечная радиация, температура окружающей среды.

Объекты исследования: солнечные батареи и фотопреобразователи с тепло отводом и их вольтамперные характеристики и КПД.

Цель работы: разработка и повышение эффективности солнечных фотоэлек трических установок с дополнительным теплоотводом.

Метод исследования: в процессе выполнения работы применялись известные аналитические и экспериментальные методы исследования. Эксплуатационные пара метры фотоэлектрических батарей и фотопреобразователя с теплоотводом исследо вались путем математического моделирования и экспериментами в лабораторных и на турных условиях.

Полученные результаты и их новизна: разработана динамическая матема тическая модель для определения влияния температуры окружающей среды на физиче ские характеристики установки;

установлено, что электрический КПД фотопреобразо вателя с теплоотводом до 60% выше, чем у фотоэлектрического модуля;

предложено расчетное выражение влияния гидростатического давления теплоносителя на опреде ление материала дна и стекла фотоэлектрического модуля для установок разных разме ров;

установлено, что максимальный теплоотвод от фотоэлектрической модели проис ходит в системе без изоляции бака аккумулятора воды и тыльной стороны фотопреоб разователя с теплоотводом;

приведен выбор и обоснование технологических и конст руктивных параметров фотопреобразователя с теплоотводом обеспечивающие мак симум выработки электроэнергии.

Практическая значимость:

Результаты комплексных исследований по повышению эффективности фото преобразователя с теплоотводом с учетом взаимосвязей их отдельных элементов с общей системой могут быть использованы для.создания нового поколения фото преобразователей с использованием теплоотвода.

Разработаны рекомендации и предложения по созданию фотопреобразователя в системе без теплоизоляции с КПД большей на ~8%, по сравнению с системами с изоляцией.

Степень внедрения и экономическая эффективность: результаты работы вне дрены в учебный процесс по направлению «Теплоэнергетика» (бакалавриат) на основа нии решения учебно-методического совета Каршинского инженерно – экономического института Область применения: фермерские хозяйства, а также для населения занятых се зонными работами: пчеловодам и чабанам и др.

RESUME Thesis of Komilov Asliddin G’ulomovich on the scientific degree competition of the doctor of philosophy in technical sciences on specialties 05.14.08 – Power Installations on the base of renewable kinds of energy resources, subject: “Development of photovoltaic electrical device for use in agricultural” Key words: photovoltaic converter, thermal converter, photovoltaic-thermal converter, photovoltaic module, photovoltaic system, energy consumption, mathematical model, hydrostatic pressure, solar radiation, ambient temperature.

Subjects of research: solar photovoltaic systems and photovoltaic converters with heat removal, their electrical characteristics and efficiency.

Purpose of work: development of photovoltaic devices with improved efficiency using heat removal.

Methods of research: during the work universally recognized analytical and experimental methods were applied. Exploitation parameters of photovoltaic systems and photovoltaic converters with heat removal were studied via mathematical modeling and experiments in the laboratory and real conditions.

The results obtained and their novelty: developed a dynamic mathematical module for determining the influence of ambient temperature on physical characteristics of the device. Verified that the electrical efficiency of the device is up to 60% higher than in PV module. Offered a calculation solution for determining the influence of hydrostatic pressure for determining material parameters of collector and glass for the PV module.

Verified that maximum heat removal from PV module occurs in the system with none insulation back side and accumulation tank. Presented calculations for optimization of physical and thermo-technical parameters of PV converter with heat removal to identify an optimal construction with maximal electricity production.

Practical value: results of complex studies on improving PV-converter СОР with heat removal taking into account interaction their separate elements with common system can be used for creation of new generation of PV-converters which uses heat removal. The recommendations and suggestions on fabrication of PV-converters with efficiency greater than ~8% in the system without thermal insulation in comparison insulated one are devel oped/ Degree of embed and economic effectivity: The research outputs are embedded into the teaching process in subject of “Heat energy” with consent of the scientific methodological consul of Engineering-technique faculty of the Karshi engineering economics.

Field of application: farms, and seasonally working people, like beekeepers, shep herds, etc.