АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В. СТАРОДУБЦЕВА

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 руководитель:

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 института 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 секретарю 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 исследованиями последних лет [1,2,3]. Сельское хозяйство - это одна из самых важных отраслей производства в мире. Вся ее продукция является возобновляемой и основана на «жатве солнца», так как производится за счет фотосинтеза и процессов производства биомассы. К тому же, большинство процессов обработки, переработки и хранения продукции можно осуществлять за счет солнечней энергии [4]. Потребность использования солнечной энергии в сельском хозяйстве обусловлена тем, что сельскохозяйственные угодья - это большие площади (поля посева, пастбища) с малой плотностью энергопотребления. Это делает их экономически нецелесообразными для централизованного электроснабжения.

На сегодняшний день в мире 1.6 миллиарда людей не имеют доступа к электричеству [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. Например, вентиляция помещений для хранения продукции, содержания скота и птиц очень важна, особенно в летнее время года. Добыча подземных вод, поение животных и орошение происходит посредством насосов с электрическими двигателями;

освещение и контрольно-измерительные приборы; малые производственные мощности, такие как мельница, конвейерная лента, инкубатор, хранилище; средства коммуникации и ежедневно используемые бытовые электроприборы не могут работать без электричества. Погрузочные машины, питающиеся на электрических батареях, существуют уже давно, успешно используются мини тракторы, работающие на электричестве [8].

Из возобновляемых видов энергии наиболее изученным и готовым к широкомасштабному 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 солнечного электричества в сельском хозяйстве является его производство посредством фотоэлектрических установок, аккумулирование (зарядка батарей) и параллельное использование в течение дня. Мощность системы рассчитывается исходя из потребности хозяйства в электроэнергии. Основным критерием эффективности системы для сельского хозяйства является наиболее высокий коэффициент полезного действия 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, особенно при расположении параллельно фасадным стенам, и частично покрыты тенью близлежащих сооружений. К тому же, доступ к централизованному дешевому электричеству 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 фотоэлектрических батарей на основе кристаллического кремния она составляет около 25Современные установки имеют КПД близкий к теоретическому и его дальнейшее повышение с технической точки зрения очень трудно.

Физические параметры существующих преобразователей в условиях жаркого климата ухудшаются значительно, в том числе КПД фотоэлектрических батарей падает почти в два раза [9]. Таким образом, следующим этапом развития и усовершенствования 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. совмещенные в одну систему фотоэлектрический модуль и теплопреобразователь [10,11,12]. В такой системе происходит улучшение фотоэлектрических параметров фотоэлектрических батарей за счет дополнительного охлаждения с помощью теплоносителя и повышение общего КПД из-за нагревания теплоносителя. Узбекскими учёными проводятся целенаправленные исследования по разработке фототеплопреобразователей с учетом их конкретных условий работы [13,14].

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Тема диссертации непосредственно связана с тематическими планами научных исследований прикладных проблем АН РУз на 2009 - 2011 гг. (ФА-А14-Ф-099 Разработка комбинированных фототеплопреобразователей на основе кремниевых солнечных элементов).

Цель исследования: разработка и повышение эффективности солнечных фотоэлектрических 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 фотоэлектрических батарей и систем утилизации тепла в конкретных условиях, и установление оптимального режима работы установки фотопреобразователя с теплоотводом.

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

4. Разработка и исследование усовершенствованной системы фотопреобразователя с теплоотводом для использования в региональных условиях Республики Узбекистан.

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

Предметом исследования являются закономерности влияния солнечного излучения и параметров окружающей среды на параметры фотопреобразователя с теплоотводом.

Методы исследований: в процессе выполнения работы применялись физические модели процессов электрического и теплового преобразования, прохождение и поглощение энергии солнечного излучения в структуре солнечного фото и теплопреобразователя согласно методам теоретических основ теплотехники. Эксплуатационные параметры фотоэлектрических батарей и фотопреобразователя с теплоотводом изучались путем математического моделирования и проведением экспериментальных 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 помощью эксэргетического анализа.

2. Модель фототеплопреобразователя с прямым контактом фотоэлектрического модуля с теплоносителем, имеющая поддерживающую арматуру, предотвращающую изгиб дна канала теплоотвода под воздействием гидростатического давления теплоносителя, и специальную сборочную конструкцию для устойчивости и облегчения 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 теплоотводом.

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 гидростатического давления теплоносителя на материал донной части и стекла фотоэлектрического модуля, оценить оптимальную толщину листа материала донной части канала теплоотвода и стекла фотоэлектрического модуля, вес установки (затрату материала) и коэффициента запаса прочности при требуемом значении изгиба пластины.

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

5. Выбраны и обоснованы технологические и конструктивные параметры фотопреобразователя с теплоотводом обеспечивающие максимум выработки электроэнергии.

Научная и практическая значимость результатов исследования:

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

2. Разработаны рекомендации и предложения по созданию фотопреобразователя в системе без теплоизоляции с КПД большей на ~8%, по сравнению с системами 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 доложены 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 опубликовано 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 Республики Узбекистан.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и заключения, списка использованной литературы из 96 наименований, изложена 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 исследования по фотоэлектрическому преобразованию солнечной энергии, влияние окружающей среды на эффективность фотоэлектрических батарей, состояние исследовательских работ по системам фотопреобразователей с теплоотводом на текущее время и их основные недостатки. Сформулированы цели и задачи, исследования.

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

Для использования математической модели фотоэлектрического модуля в моделировании фотопреобразователя с теплоотводом вносится изменение расчета тыльной стороны фотоэлектрического модуля, так как она будет иметь теплообмен не с окружающей средой, а с теплоносителем.

Рис. 2. Схема и тепловые параметры моделирования фотопреобразователя 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 поглощаемая фотоэлектрическим модулем равна Энергетический балансе теплоотвода рассчитывается по формуле:

Энергетический балансе бака аккумулятора рассчитывается по формуле:

Используя данную модель, рассчитаны фотопреобразователи с теплоотводом следующих конструкций с изоляцией и без изоляции канала теплоотвода и бака аккумулятора.

Параметры и условные обозначения различных конструкций фотопреобразователя с теплоотводом 2 Размер поверхности (мХм) 0.4Х0.5 0.4Х0.5 0.4Х0.5 0.4Х0.5 0.6Х1.0 0.6Х1. * соответствует экспериментальному образцу Результаты моделирования конструкций А, Б и В представленные на рис. показывают, что их поведения идентичны. Из этого следует, что высота канала теплоотвода 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 фотоэлектрических батарей и фотопреобразователей с теплоотводом конструкций А и Г.

Рис. 3. Относительный КПД в течение дня фотопреобразователя с 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 электрический КПД фотопреобразователя с теплоотводом с объемом теплоносителя 6 л, на 17-32% выше, чем у фотоэлектрического модуля без теплосъема. С увеличением изолированности тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора электрический КПД фотопреобразователя с теплоотводом ухудшается на 9% и 12% при объеме теплоносителя 6 и 50 л, соответственно. Электрический КПД фотоэлектрического модуля с увеличением изолированности тыльной стороны ухудшается на 24%.

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

Средние дневные относительные КПД фотоэлектрической батареи и фотопреобразователя с теплоотводом конструкций А и Г 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 гидростатического давления теплоносителя (ГСДТ) во время работы установки. За счет этого происходит деформация коллектора, что может привести к разрушению фотопреобразователя или его отделению от коллектора, что в свою очередь нарушит целостность 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 решается биквадратным интегралом:

где: p - нагрузка; D – коэффициент прочности; D ; E - модуль Юнга (расv 2 ) тяжения), - толщина материала; v - коэффициент Пуассона.

Расчет ГСДТ производится по следующей формуле:

где: h - размер наклонной стороны, - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, - угол наклона.

Коэффициент запаса прочности в разных точках рассчитывается следующим образом:

запас прочности при действии нормального напряжения:

запас прочности при действии косвенного напряжения:

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 конструкции. Недопустимо, чтобы коэффициента запаса прочности в любой точке был меньше 1.

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 использовании стекла толще 2.5 мм коэффициента запаса прочности равен 2 и 5 для обычного и закаленного стекла, соответственно. Данный расчет показывает, что для конструкции фотоэлектрического модуля фотопреобразователя с теплоотводом площадью 0.4х0.5 мхм можно использовать стекло толщиной 2.5 мм. Расчеты стекла для конструкции Д показали, что в данной конструкции для получения изгиба ниже 1 мм надо использовать стекла толще 5 мм. В этих случаях коэффициента запаса прочности 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 ниже 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, соответственно. Проектирование фотопреобразователя с теплоотводом с фотоэлектрическим модулем площадью 1х0.6 метров целесообразно с наклоном в ширину, так как это снизит 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 запаса прочности равен 2 и выше. Использование канала теплоотвода в такой конструкции 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 использовать 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 листа железа, также как и в случае стекла, данные предположения верны для случая установления 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.

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 проводились эксперименты. На основе анализа предыдущих данных разработана установка фотопреобразователь с теплоотводом с системой теплоотвода с естественным потоком теплоносителя.

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 фотопреобразователя 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, заполненном SPF (спрей-пена полиуретана) изоляцией. Теплотехнические параметры материалов установки (оцинкованное железо, герметик, стекло и др.), и их совместимость для создания данной установки были исследованы и подтверждены в ходе научного проекта «Разработка фотоэлектрической установки на основе кремниевых солнечных элементов эффективно работающих в условиях жаркого климата» выполненного в ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз. 2006-2008 г.г. На рис. 7. показана схема теплоотвода, в котором используется естественный поток.

Для выяснения влияния теплоотвода на температуру фотоэлектрического модуля, в лабораторных условиях проведены эксперименты на установке фотопреобразователь с теплоотводом с помощью имитатора солнца. Эксперименты проведены на фотопреобразователе с теплоотводом с теплоизоляцией и без теплоизоляции тыльной поверхности.

Рис. 8. Результаты математического моделирования и экспериментальные данные ФПсТ без изоляции тыльной поверхности КТ в лабораторных Сравнение результатов математической модели фотопреобразователя с теплоотводом и экспериментальных данных, показано на рис.8.

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

На рис. 9 показано сравнение результатов математической модели фотопреобразователя с теплоотводом и данных экспериментов в натурных условиях. Разработанная модель показала результаты очень близкие к экспериментальным и может быть использована для расчета поведения установки в различных условиях. Это облегчит работу по определению эффективного режима работы и усовершенствованию установки.

Как видно на рис. 10, наиболее чувствительным к изменению температуры является 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 температуры, на прямую зависит от напряжения.

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

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 наибольший эксэргетический КПД теплопроизводства, до 3%. В нашем случае это составляет около 50% от номинального электрического КПД установки. Но данное соотношение может быть другим в случае фотопреобразователя с теплоотводом с более высоким электрическим КПД. Поэтому рассчитаны изменения общего КПД установок с разными номинальными электрическими КПД. Для определения влияния номинального электрического КПД на общий КПД установки рассчитаны их соотношения.

На рис. 12 видно, что в конструкции с малым объемом теплоносителя общий КПД ниже в установках с большим номинальным электрическим КПД. При использовании большего объёма теплоносителя общий КПД незначительно, но повышается с повышением номинального электрического КПД в установках с изоляцией тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора. Общий КПД конструкции Г выше, чем у конструкции А. При использовании большего объёма теплоносителя как общий КПД, так и электрический КПД фотопреобразователя с теплоотводом больше. Значения общего КПД конструкции Г с теплоизоляцией и без теплоизоляции тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора почти не отличаются, а согласно выводам 2- главы, ухудшение электрического КПД из-за изоляГ ции составляет 10-12%.

Рис. 12. Общий относительный КПД фотопреобразователя с теплоотводом конструкций А и Г с разными номинальными Таким образом, для выработки и использования только электрической энергии целесообразно использование установки без теплоизоляции тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора. Для выработки и использования электрической и тепловой энергии целесообразно использование установки с теплоизоляцией тыльной стороны канала теплоотвода и бака аккумулятора.

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

За счет предотвращения ухудшения вольтамперные характеристики из-за воздействия температуры системы используемый фотопреобразователь с теплоотводом производит на 10-15% больше электричества и теплую воду в 35°C. В ходе испытаний построенная экспериментальная установка доказала своё преимущество по сравнению с фотоэлектрической батареей. Но при этом были также выявлены недостатки системы, которые должны быть усовершенствованы для достижения лучших результатов.

Рис. 14. Сечение фотопреобразователя с теплоотводом центральной Более простое решение устойчивости канала теплоотвода к гидростатическому давлению - это установление поддерживающей арматуры. Она обеспечивает надежный контакт коллектора с модулем и предохраняет коллекторную часть от деформирования под влиянием статического давления теплоносителя. Арматура выполнена в виде рёбер, разделяет площадь на несколько (2 и больше) прямоугольников 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 целостность конструкции.

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 рассматривается как теплообменник. Система схематически изображена на рис. 15. Для облегчения процесса сборки установки рекомендуется использование конструкции теплоотводной части из двух раздельных частей, рис.16.

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

Рис. 17. Данные расчета волнообразной железной пластины разной В работе рассматриваются результаты исследований по созданию комбинированной системы солнечного электро-теплоснабжения (ССЭТС) для энергообеспечения объектов, удаленных от централизованных источников энергии. Реализация ССЭТС может обеспечить замену традиционно используемых для электроснабжения 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 производственно-бытовых условий сельского населения.

В таблице 3. приведены виды энергопотребления средней семьи при экономичном режиме.

Энергопотребление приборов используемых в средней семьи По полученным данным при проведении экспериментов на территории уровень суточной суммарной солнечной радиации составляет примерно 2 кВтч/м зимой и 7 кВтч/м летом, при этом фотоэлектрическая батарея с КПД 15% вырабатывает 0.3 – 1 кВтч/м энергии.

Потребление 600 Втч в день теоретически покрывается системой фотоэлектрических батарей 1.5 м, так как в зимнее время потребление вентилятора и холодильника можно игнорировать. По расчетам, для фермерского хозяйства, занимающегося растениеводством, в день в среднем необходимо примерно 300 литров воды с температурой 40-50оС. Для этого нужно определиться источником энергии для повышения температуры воды и использование солнечного коллектора наиболее целесообразно. 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 холодное 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.

1. Предложена динамическая модель фотопреобразователя с теплоотводом, позволяющая определить степень влияния температуры окружающей среды на его физические характеристики и на основе её реализации выявлен эффективный эксплуатационный 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 гидростатического давления теплоносителя на материал донной части и стекла ФЭМ, позволяющее 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 окружающей среды на физические характеристики фотопреобразователя с теплоотводом выявлены отклонения их от стандартных значений.

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

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

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 utilization 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 повышение эффективности энергоснабжения в Узбекистане // III конференция молодых специалистов получивших образование за рубежом. – Ташкент, 2005. –Т. 8.

-С. 253-260,.

4. Sylvan H. Wittwer. Solar energy and agriculture // Cellular and Molecular Life Sciences. 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. - Ташкент, 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 повышения эффективности использования солнечной энергии в жарких климатических 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 collectors 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., Тукфатуллин О.Ф. Фототеплопреобразовательные установки с кремниевыми солнечными 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 кремниевых солнечных элементов // Гелиотехника – Ташкент, 2008. - №1.- С. 24–27.

4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Комилов А. Г., Турсунов М. Н., Муминов Р. А. Исследование возможности повышения эффективности использования солнечной энергии в жарких климатических условиях // Гелиотехника. – Ташкент, 2008. - №2. -С. 32-35.

Турсунов М.Н., Комилов А, Клычев Ш.И. Мухаммадиев С.М. Эффективность 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 system 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. 312Комилов А. Усовершенствование конструкции фотопреобразователя с теплоотводом с помощью математического моделирования // Гелиотехника. - Ташкент, 2011. -№3. - С. 14-16.

Komilov A. Renewable Energy in Uzbekistan – Potential and Perspectives // PPRE publication, Oldenburg, -Germany, 2002. - P. 246-256.

Комилов А. Study of cost effectiveness and perspectives of renewable energy 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 повышение 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 специалистов 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. 7апреля 2008. – Карши, 2008. – С. 240-243.

11. Комилов А. Перспективы изучения и исследования полупроводниковых солнечных 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 термическим коэффициентом полезного действия // Инновационные технологии. Карши, 2011. -№2. - С. 164-166.

13. FAP00636. Фототеплопреобразовательная установка / Лутпуллаев С. Л., Турсунов 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 фотоайлантиргичлар, 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 фотоэлектрических установок для использования в сельском хозяйстве» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 – Энергоустановки на основе Ключевые слова: фотопреобразователь, теплопреобразователь, фототеплопреобразователь, фотоэлектрический модуль, фотоэлектрическая батарея, энергопотребление, математическая модель, гидростатическое давление, солнечная радиация, температура окружающей среды.

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

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

Метод исследования: в процессе выполнения работы применялись известные аналитические и экспериментальные методы исследования. Эксплуатационные параметры фотоэлектрических батарей и фотопреобразователя с теплоотводом исследовались путем математического моделирования и экспериментами в лабораторных и натурных условиях.

Полученные результаты и их новизна: разработана динамическая математическая модель для определения влияния температуры окружающей среды на физические характеристики установки; установлено, что электрический КПД фотопреобразователя с теплоотводом до 60% выше, чем у фотоэлектрического модуля; предложено расчетное выражение влияния гидростатического давления теплоносителя на определение материала дна и стекла фотоэлектрического модуля для установок разных размеров; установлено, что максимальный теплоотвод от фотоэлектрической модели происходит в системе без изоляции бака аккумулятора воды и тыльной стороны фотопреобразователя с теплоотводом; приведен выбор и обоснование технологических и конструктивных параметров фотопреобразователя с теплоотводом обеспечивающие максимум выработки электроэнергии.

Практическая значимость:

Результаты комплексных исследований по повышению эффективности фотопреобразователя с теплоотводом с учетом взаимосвязей их отдельных элементов с общей системой могут быть использованы для.создания нового поколения фотопреобразователей 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 внедрены в учебный процесс по направлению «Теплоэнергетика» (бакалавриат) на основании решения учебно-методического совета Каршинского инженерно – экономического института Область применения: фермерские хозяйства, а также для населения занятых сезонными 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 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 noneinsulation 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 developed/ Degree of embed and economic effectivity: The research outputs are embedded into the teaching process in subject of “Heat energy” with consent of the scientificmethodological consul of Engineering-technique faculty of the Karshi engineeringeconomics.

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