CC BY
214
Анализ графика показывает, что внедрение одного АРМ с функциями учёта и контроля экономически обосновано при 250^300 га обрабатываемой площади, двух АРМ с разделением функций - при 480...530 га. Внедрение дополнительных сотрудников ИТС вместе с АРМ возможно при 1180...1400 га обрабатываемой площади. Результаты расчета свидетельствуют, что автоматизированные методы контроля надёжности технологических систем в растениеводстве можно рекомендовать практически всем сельскохозяйственным предприятиям Ростовской области.
Литература 1. ГОСТ 27.004-85. Надежность в технике. Системы технологические. Тер-
мины и определения. - Введ. 1986-07-01. -Москва: Изд-во стандартов, 1986.
2. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ, Россия. "Программа «Агрокомплекс-1.0 «МТП»"
/ Никитченко С.Л. Зарегистрировано в РОСПАТЕНТ 29.03.2006. Заявка № 2006610500.
3. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ, Россия. "Программа НТС-1.0 - Расчёт показателей надёжности технологических систем операций"/ Никитченко С.Л., Мохирев Е.В. Зарегистрировано в РОСПАТЕНТ 19.02.2010. Заявка № 2009617371.
Сведения об авторах
Мохирев Евгений Валерьевич - заведующий кафедрой производственного обучения Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8-905-45-34-671. E-mail: [email protected].
Никитченко Сергей Леонидович - канд. техн. наук, доцент кафедры механизации растениеводства Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8-919-89-25-562. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Mokhirev Yevgenyi Valerevich - Chief of the in-services training department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-905-453-46-71. E-mail: [email protected]
Nikitchenko Sergey Leonidovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the plant growing mechanization department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-919-89-25-562. E-mail: [email protected].
УДК 631.311
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В КОНЦЕНТРИРОВАННОМ СОЛНЕЧНОМ ИЗЛУЧЕНИИ
© 2011 г. А.А. Таран, С.М. Воронин
Анализ различных типов фотоэлектрических преобразователей в составе солнечных электростанций с концентраторами солнечной энергии показал, что увеличение коэффициента концентрации приводит к увеличению рабочей температуры ФЭП и, как следствие, к существенному снижению КПД различных видов фотоэлектрических преобразователей, а также к их деградации. Это факт необходимо принимать во внимание при выборе оптимальной степени концентрирования солнечного излучения для ФЭП и реализации системы отвода тепла в энергоустановках с концентраторами солнечного излучения.
Ключевые слова: солнечная электростанция, фотоэлектрические преобразователи, концентрирование, КПД, арсенид галлия, кремний.
The various types photoelectric transformer analysis in the solar electric power station structure with the solar power concentrators showed the increasing of the concentration factor lead to the photoelectric transformer working temperature increasing and, as a consequence, to essential efficiency reduction of various photoelectric transformers types and also to their degradation.
Key words: solar electric power station, photoelectric transformer, concentration efficiency, gallium arsenid, silicon.
В последнее время большое внимание уделяется использованию солнечной энергии, в частности прямому ее преобразованию в электрическую энергию. Для этой цели широко используются различные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Они являются главным источником электроэнергии как в космических аппаратах, так и в наземных солнечных электростанциях. Однако широкое использование их на Земле сдерживается значительной стоимостью элементов. Снижение стоимости ФЭП в основном ведется за счет уменьшения стоимости материалов и создания дешевых пленочных. Не менее перспективным для этой цели является использование концентрированного солнечного излучения.
Использование концентрированного солнечного излучения в фотоэлектрических установках связано главным образом со стремлением улучшить энергетические показатели установок за счет увеличения удельной мощности. Однако при этом уменьшается и скорость радиационной деградации параметров ФЭП. При использовании концентрированного солнечного излучения в ФЭП выделяется большое количество тепловой энергии и, если не предусмотрено охлаждение, то рабочая температура элементов возрастает. Значительное повышение температуры влияет на концентрацию носителей заряда, а также на процесс поглощения света, в результате чего изменяются выходные параметры ФЭП.
В автономных солнечных электростанциях основу могут составлять твердотельные ФЭП. Основными материалами для создания фотоэлектрических преобразователей повышенной мощности являются кремний и различные гетероструктуры.
Для повышения коэффициента использования энергии солнечного излучения применяют концентраторы солнечного излучения. Однако в этом случае необходимо решать проблему нагрева ФЭП, т.к. эффективность кремниевого ФЭП падает до нуля уже при 300 °С, в основном, за счет увеличения температуры и, как следствие, внутренних омических потерь.
Для характеристики внутренних потерь ФЭП обычно используют так называемый коэффициент заполнения ВАХ равный отношению максимальной мощности к произведению тока короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:
Р
р —_т_.
1 КЗихх
На рисунках 1 и 2 представлены зависимости коэффициента заполнения ВАХ от температуры для гетероструктурных и кремниевого фотоэлектрических преобразователей. Эти зависимости позволяют оценить динамику увеличения внутренних потерь с ростом температуры.
Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния, работающие при неконцентрированном солнечном облучении, получили наибольшее распространение в автономной солнечной энергетике. В последние годы выполнены также широкие исследования кремниевых фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения и достигнуты значительные значения КПД. Кроме монокристаллического кремния, для создания фотоэлектрических преобразователей широко используется поликристаллический и гидрогенизированный аморфный кремний, главным достоинством которого является меньшая стоимость.
—вэБЬ —вэДз
Рис. 1. Зависимости коэффициента заполнения ВАХ (Р) от температуры для фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия и арсенида галлия
Рис. 2. Зависимость коэффициента заполнения ВАХ (Р) от температуры для фотоэлектрических преобразователей на основе кремния
Аморфные материалы образуют отдельный класс веществ, во многом аналогичных кристаллическим полупроводникам. Исследование их свойств и расширение класса представляют собой актуальные физико-теоретическую и физико-техническую задачи. КПД фотоэлектрических преобразователей на аморфном кремнии реально (в батарее) можно довести до 15%. Однако эффективность таких ФЭП существенно снижается при использовании концентрированного солнечного излуче-
ния, что не дает оснований предполагать их широкое применение совместно с концентраторами солнечного излучения. По этим причинам здесь не рассматриваются фотоэлектрические преобразователи на основе аморфного и поликристаллического кремния, а также ФЭП на основе тонкопленочных полупроводниковых соединений.
В кремниевых фотоэлектрических преобразователях, оптимизированных для работы с неконцентрированным солнечным
излучением, при небольшом повышении интенсивности излучения (при Кс = 2-3) КПД начинает уменьшаться, и это снижение составляет 20-30%.
В конструкциях солнечных элементов, специально разработанных для преобразования концентрированного солнечного излучения, основное внимание обращалось на снижение омических потерь при сохранении высоких значений фототока и рабочего напряжения.
В концентрированном солнечном излучении равновесная температура фотоэлемента может превышать 100 °С. Увеличение рабочей температуры сопровождается уменьшением ширины запрещенной зо-
ны, что дает некоторое увеличение фототока за счет расширения спектра фотоответа в длинноволновую область. Однако это увеличение фототока не компенсирует уменьшения и ж вследствие экспоненциального увеличения тока насыщения с ростом температуры, что приводит к существенному снижению КПД при увеличении температуры. В вертикальных кремниевых солнечных элементах, так же как и в пла-нарных, наблюдается уменьшение температурного коэффициента КПД при увеличении Кс. Ниже приведена температурная характеристика кремниевых фотоэлектрических преобразователей.
Рис. 3. Зависимости КПД солнечных элементов на основе от температуры при различных степенях концентрирования солнечного излучения
Оптимальный диапазон степени концентрации для ФЭП на основе гетеро-структурных ФЭП, например арсенида-галлия, приблизительно на порядок выше, чем для кремниевых ФЭП, что объясняется лучшей температурной стабильностью КПД (рис. 3). Это позволяет в концентра-торных модулях на основе гетерофотоэле-ментов использовать достаточно простые и дешевые системы охлаждения при электрической мощности, снимаемой с одного фотоэлектрического преобразователя, более 10 Вт.
Использование Л1-Оа-ЛБ-гетеро-структур для создания солнечного элемента открывает дополнительные возможно-
сти повышения эффективности преобразования солнечного излучения. Наибольшее применение для создания солнечных элементов получили гетеропереходы алюминий-галлий-мышьяк, оптимальные с точки зрения эффективности преобразования солнечной энергии, вследствие близости параметров решеток арсенида галлия и ар-сенида алюминия.
Увеличение степени концентрирования солнечного излучения приводит к увеличению рабочей температуры солнечного элемента и снижению КПД в основном за счет уменьшения напряжения холостого хода ихх. Большая, чем в кремнии, ширина запрещенной зоны арсенида-галлия обес-
печивает лучшую температурную стабильность параметров солнечного элемента на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур. Температурные коэффициенты ихх и КПД уменьшаются с увеличением степени концентрирования солнечного излучения.
Уменьшение ширины запрещенной зоны при увеличении температуры и, как следствие этого, небольшое увеличение фототока несколько компенсирует снижение ихх. Величина температурного коэффициента фототока составляет 0,001 °С -1
и практически не зависит от степени концентрирования солнечного излучения. Из представленных на рисунке 4 зависимостей КПД при АМ 0 от температуры видно, что температурный коэффициент КПД уменьшается при различных коэффициентах концентрации. Внесение цинка диффузным методом позволяет улучшить температурную стабильность фотоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур, работающих при концентрированном солнечном излучении.
Т
-1 - Кс=100 -2 - Кс=10 -3 - Неконцентрированное
Рис. 4. Зависимости КПД солнечных элементов на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур от температуры при различных степенях концентрирования
солнечного излучения (AM 0)
Таким образом, увеличение величины Кс приводит к возрастанию рабочей температуры и к существенному снижению КПД различных видов фотоэлектрических преобразователей, а также к термическому и инжекционному отжигу. Этот факт необходимо принимать во внимание при выборе оптимальной степени концентрирования солнечного излучения для ФЭП в энергоустановках с концентраторами солнечного излучения.
Литература
1. Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / В.М. Андреев, В.А. Гри-хилес, В.Д. Румянцев - Ленинград: Наука, 1989. - 310 с.
2. Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии / В.М. Андреев // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 7.
Сведения об авторах Таран Андрей Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры теоретических основ электротехники и электроснабжения сельского хозяйства Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)35-6-55.
Воронин Сергей Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры энергетики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)42-4-00.
Information about the authors
Voronin Sergey Michailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the power engineering department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)42-4-00.
Taran Andrey Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department of theoretical basis of electrical techniques and agricultural electrical supply, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)35-6-55.
УДК 681.5
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ
В КРОЛЬЧАТНИКЕ
© 2011 г. Т.В. Жидченко, А.А. Жидченко, А.Л. Строителев
Рассмотрена система контроля температуры в крольчатнике с помощью ПИД-регулятора с универсальным входом ОВЕН ТРМ101.
Показано, что созданная АСУ микроклиматом в крольчатнике имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с устоявшейся системой содержания кроликов на ферме.
Ключевые слова: система управления, микроклимат, крольчатник, контроль температуры, регулятор.
Automated system of the microclimate control in the rabbit-hutch by means of the PIDregulator with OVEN TRM101 universal input is considered.
This created microclimate control system in the rabbit-hutch has some essential advantages in comparison with the available rabbit-keeping system at the farm.
Key words: control system, microclimate, rabit-hutch, temperature control, regulators.
Автоматизация - один из важнейших путей ускорения научно-технического прогресса, качественного преобразования производительных сил. Применение автоматизированных технических средств позволяет освободить работников не только от физического труда, но и от функций контроля над машинами, оборудованием, производственными процессами и операциями. Автоматизация способствует значительному повышению производительности труда, улучшению качества продукции и условий труда людей [5].
Целью исследования является реализация на основе применения современных аппаратных средств и SCADA-системы автоматизированной системы управления микроклиматом в крольчатнике.
Под микроклиматом понимают совокупность физических свойств и химического состава воздушной среды: температуры, влажности воздуха и скорости его движения, концентрации газов, содержания
микроорганизмов и освещенности. От величины указанных параметров микроклимата во многом зависят продуктивность, показатели воспроизводства кроликов и состояние их здоровья. Так как по сравнению с шедами крольчатники представляют собой более капитальные, почти не продуваемые ветром сооружения, то воздух в них довольно быстро насыщается влагой и вредными газами, которые неблагоприятно влияют на здоровье и продуктивность животных. В холодное же время года в крольчатниках благодаря отоплению можно поддерживать положительную температуру. Следовательно, здесь можно получать окролы в течение круглого года, чего почти невозможно сделать в условиях наружноклеточной и шедовой систем содержания кроликов. Учитывая это, при содержании кроликов в механизированных крольчатниках важно поддерживать в помещениях оптимальные параметры микроклимата.
