CC BY
28
нов Расул Вагидович; Санкт-Петербургский государственный морской технический университет. - СПб., 1998.
2. Гусейнов Р.В. Математическая модель процесса обработки отверстий сверлами на основе нелинейной динамики. Ч.1. Постановка задачи/ Гусейнов Р.В., Рустамова М.Р.// Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - № 22.- 2011.- С.64-68.
3. Гусейнов Р.В. Совершенствование обработки отверстий небольшого диаметра/ Гусейнов Р.В., Рустамова М.Р. // Вестник машиностроения. - №9.2012.- С. 50-52.
4. Гусейнов Р.В. Обоснование базы данных для исследования динамических процессов при резании / Гусейнова М. Р., Гусейнов Р.В. // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки.- №4 (35).-2014.- С.36-44.
УДК 621.362
Исмаилов Т.А., Ахмедова Л.М., Евдулов Д.В., Евдулов О.В., Челушкин Д.А.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ДЛЯ ПИТАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЬНОГО КОНДИЦИОНЕРА
Ismailov T.A., Ahmedova L.M., Evdulov D. V., Evdulov O. V., Chelushkin D.A.
CONVERTER SOLAR RADIATION INTO ELECTRICITY TO SUPPLY THE AUTOMOTIVE SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC AIR CONDITIONING
В статье рассмотрена возможность повышения эффективности преобразователей солнечной радиации в электроэнергию за счет конструктивного совмещения фотоэффекта, термоэффекта Зеебека и полупроводниковых солнечных батарей, что позволит создать интегральное устройство для обеспечения электропитания полупроводникового термоэлектрического автомобильного кондиционера.
Ключевые слова: преобразователь солнечной радиации, электроэнергия, автомобильный кондиционер, полупроводниковые термоэлектрические устройства.
The article considers the possibility to increase the efficiency of converters of solar radiation into electricity by combining constructive photoelectric effect, See-
beck thermoeffect and semiconductor solar cells, which will create integrated device to provide power semiconductor thermoelectric automobile air conditioner.
Key words: converter of solar radiation, energy, automotive air conditioning, semiconductor thermoelectric devices.
На современном этапе развития общества наиболее кризисная ситуация сложилась в энергетике. Современные способы получения электроэнергии при помощи гидростанций, тепловых станций и атомной энергетики практически исчерпали себя и в большинстве случаев вредят экологии региона, как в процессе функционирования, так и в результате техногенных аварий. Существующие альтернативные виды добычи электроэнергии недостаточно эффективны для создания устойчивой конкуренции.
Одним из наиболее перспективных видов использования возобновляемых источников энергии является применение преобразователей солнечной радиации в электроэнергию. Основными методами для получения электроэнергии из солнечной радиации являются фотоэффект, термоэффект Зеебека и полупроводниковые солнечные батареи. Всем им присущ невысокий КПД и целый ряд недостатков [1, 2, 3].
Для повышения эффективности преобразователей солнечной радиации в электроэнергию целесообразно конструктивно совместить все три способа в одном интегральном устройстве.
В солнечной батарее часть фотонов экранируется электродом, часть фотонов совершает полезную работу по генерации в ^-n-переходах электронных пар электрон - дырка, приводящих к неравновесной разности потенциалов, а остальные фотоны нагревают устройство. Этим обусловлен невысокий КПД при преобразовании на полупроводниковой солнечной батарее (до 18%) [1].
Так при фотоэффекте, только часть фотонов совершает полезную работу по выбиванию электронов из электродов, остальные либо отражаются, либо промахиваются, либо нагревают устройство. Этим обусловлен невысокий КПД при фотоэффекте (до 20%) [2].
Термоэлектрогенератор преобразует перепад температур в электричество в соответствии с эффектом Зеебека, но только часть фотонов отражаются. Этим обусловлен невысокий КПД при преобразовании на термоэлектрогенераторе (до 10%) [3].
Таким образом, то, что является недостатком для одного эффекта, является рабочим режимом для другого эффекта, то есть большая часть фотонов будет участвовать в генерации электроэнергии.
На рисунке 1 приведена структура преобразователя солнечной радиации в электроэнергию. Одним из вариантов применения, является использование преобразователя для обеспечения электропитания полупроводникового термоэлектрического автомобильного кондиционера. Кондиционер может быть выполнен в виде независимого автономного устройства, состоящего из преобразователя солнечной энергии для выработки электричества и охладителя на основе полупроводниковых термоэлектрических устройств, использующих
эффект Пельтье [4, 5, 6]. Встроенный микроконтроллер позволит поддерживать микроклимат в салоне автомобиля в автоматическом режиме, так как, чем ярче будет светить солнце, тем эффективнее будет работать преобразователь солнечной радиации в электроэнергию, и тем сильнее будет охлаждаться салон автомобиля. Кроме того, имеется возможность часть электроэнергии направить на подзарядку автомобильной аккумуляторной батареи (например, зимой).
1
Рисунок 1 - Структура преобразователя солнечной радиации в
электроэнергию
Функционирует устройство следующим образом. На первом этапе фотоны проходят сквозь прозрачный параллелепипед 1, из которого откачен воздух для того, чтобы исключить кондуктивный теплоперенос от горячих спаев преобразователя солнечной радиации в электроэнергию в окружающую среду (как в термосе). Это необходимо для создания парникового эффекта и сохранения более высокой температуры на горячем спае относительно холодного спая (обдуваемого атмосферным воздухом) полупроводникового термоэлектрического генератора 4, для которого большой перепад температур между спаями обусловливает высокий КПД [3].
Далее, фотоны попадают на солнечную полупроводниковую батарею с верхним металлическим электродом с низкой работой выхода электронов. На существующих солнечных полупроводниковых батареях металлический электрод экранировал ориентировочно (в зависимости от конструкции) до 10% фотонов и снижал КПД. В предлагаемом устройстве металлический электрод дополняет электронами, выбиваемыми фотонами (за счет фотоэф-
фекта), полупроводниковую р-зону солнечной батареи. Тем самым, прежний недостаток становится преимуществом, так как участвует в процессе генерации электричества. Вычислить количество выбиваемых электронов можно по формуле:
, т
h-у = A + , (1)
где hv - энергия фотона; А - работа выхода - минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества [2].
Таким образом, получается, что частица света - фотон, поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию lAm-и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться, а направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, возникает электродвижущая сила - ЭДС. Ток от фотоэффекта тем больше, чем больше электронов в единицу времени будет выбито из электрода. На нагрузке будет совершаться полезная работа, и выделяться мощность, выработанная солнечным электрогенератором на основе фотоэффекта:
Рфэ = Ф • R = (e • N • О2 • R, (2)
где Рфэ - мощность фотоэлектрогенератора; 1фэ - ток через фотоэлектрогенератор; Rн - сопротивление нагрузки; е - заряд электрона; N - количество выбитых электронов; t - время.
Таким образом, будет использован фотоэффект для преобразования части фотонов.
Оставшаяся часть фотонов, пересекая р-п-переход солнечной батареи 3, будет генерировать пары электрон - «дырка», которые диффундируют в p- и n-зоны, создавая неравновесные заряды. Солнечный элемент - это диод с гетеропереходом. Гетеропереход формируется с помощью двух различных полупроводниковых материалов.
Формула расчета эффективности полупроводниковых солнечных батарей выглядит следующим образом [1]:
1д = Io [éVAk -1), (3)
где 1д - ток через диод; V - приложенное напряжение; I0 - ток насыщения диода; q - заряд электрона; А - фактор идеальности; k - постоянная Больцмана; Т - температура.
Для освещенного солнечного элемента уравнение диода принимает вид:
1сэ = 1д - 1ф = Io {eqv/akt -1)- 1ф, (4)
где 1СЭ - ток солнечного элемента; 1Ф - фототок.
На нагрузке будет выделена мощность:
Рсэ = Ils ■ R "1)" 1Ф) ■ Ян . (5)
где РСЭ - мощность солнечного элемента.
Те фотоны, которые прошли далее, и не будут преобразованы в электричество на полупроводниковой солнечной батарее, будут поглощены атомами кристаллической решетки и обеспечат нагрев верхнего спая термоэлектрогенератора 4, у которого нижний спай будет обдуваться потоком атмосферного воздуха, вследствие чего будет возникать перепад температур, и выработана электроэнергия за счет термоэффекта Зеебека.
Процесс выработки энергии в термоэлектрогенераторе определяется по формуле:
ТГ - Ту М -1
Л = —----—, (6)
Тг М + ТХ ТГ ' ()
М = д/1 + z^p,
2
а а
z =
1
где г - добротность полупроводникового материала, 1/К; Тг - температура горячего спая термоэлемента, К; ТХ - температура холодного спая, К; ТСР - средняя температура ветви термоэлемента, К,
П + Т,
Т =
Т ср
Г 1 * x
2 '
М - критерий Иоффе, а - приведенная дифференциальная термо-ЭДС ветвей термоэлементов, мкВ/К; о - приведенные электропроводность и теплопроводность ветвей термоэлементов соответственно в 1/(Омм) и Вт/(мК) [3]. Зная термо-ЭДС и сопротивление нагрузки можно найти мощность электроэнергии выработанной полупроводниковым термоэлектрогенератором по формуле:
РТГ = аХ ; (7)
н
где а - приведенная дифференциальная термо-ЭДС ветвей термоэлементов.
Таким образом, все три эффекта интегрально используются в преобразователе солнечной радиации для совместной выработки электроэнергии. Причем то, что являлось недостатком в отдельных устройствах и приводило к паразитным потерям и снижению КПД, в предлагаемом устройстве рационально дополняет друг друга.
Интегральная выработка электроэнергии в результате совместного влияния всех трех эффектов составит:
р = РфЭ + Рсэ + РТГ • (8)
А общий КПД составит:
2
(е • N • Г )2 -Ян + (/„ (е^ -1)- 1Ф ) • Ян
Р + Р + Р Vе • • Ч -Ян ^ - Ф • Ян ^ /п2
Рфэ + Рсэ + РТГ-100% =-^->_->_--100% (9)
Р Р
РВХ Р вх
где Рвх=1000 Вт/м1.
Совместное использование всех трех эффектов при соответствующей технологии изготовления (на 3Б принтере), позволит повысить интегральный КПД ориентировочно до 35%, что существенно повысит конкурентоспособность готовых изделий на мировых рынках.
Разработанный преобразователь целесообразно использовать как на военных и гражданских объектах, так и для отдельных потребителей в быту. В качестве примера можно предложить вариант использования преобразователя солнечной радиации в электроэнергию для питания автомобильного кондиционера на основе полупроводниковых термоэлектрических устройств, с применением эффекта Пельтье, изображенном на рисунке 2.
Рисунок 2 - Использование преобразователя солнечной радиации в электроэнергию для питания автомобильного кондиционера на основе полупроводниковых термоэлектрических устройств с применением
эффекта Пельтье
Из рисунка 1 видно, что даже самый красивый автомобиль можно сделать еще красивее улучшив его функциональные потребительские опции, не меняя его дизайнерский характеристик. Устройство может быть установлено в автомобильном люке и работать в полностью автоматическом режиме под управлением микроконтроллера. Чем сильнее солнечная радиация и выше
температура, тем больше выработка электроэнергии и эффективнее работа полупроводникового термоэлектрического автомобильного кондиционера. Набегающий поток воздуха, возникающий при движении автомобиля, позволяет обойтись без принудительной вентиляции теплоотвода, как преобразователя солнечной радиации в электроэнергию, так и теплоотвода полупроводникового термоэлектрического автомобильного кондиционера.
Вывод. Разработанное устройство может быть внедрено в широком спектре электронных изделий для обеспечения автономного питания: датчики мониторинга среды, бытовые приборы, военная аппаратура, космические спутники, метеостанции, радиомаяки, сотовая телефонная связь и т.д.
Библиографический список:
1. http://iu4.ru/publ/2012_ing_vest_08_01.pdf.
2. https://m.wikipedia.org/wiki/Фотоэффект.
3. http://studopedia.ru/5_25361_effekt-zeebeka.html.
4. Патент РФ №2417356. Способ оптимизации режимов работы термоэлектрической батареи с учетом геометрических и электротеплофизических параметров при импульсном питании/ Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Нежведилов Т.Д., Челушкина Т.А.
5. Патент РФ №2335825 Термоэлектрическое устройство с высоким градиентом температур/ Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М.
6. Патент РФ №2205279. Термоэлектрический автомобильный радиатор/ Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Зарат А., Гафуров К.А.
УДК 621.362
Исмаилов Т.А., ГаджиевХ.М., Челушкина Т.А., Шкурко А.С., Магомедова П.А.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ПАССИВНАЯ АНТЕННА ДЛЯ КОДОВОИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ ЗА СЧЕТ ОТРАЖЕНИЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА
Ismailov T.A., Gadjiyev H.M., Chelushkinа Т.A., Shkurko A.S., Magomedova P.A.
ENERGY-EFFICIENT PASSIVE ANTENNA CODE PULSE MODULATION DUE TO THE REFLECTION OF MICROWAVE SIGNAL
В статье рассмотрена антенна в форме уголкового отражателя с p-i-n-диодами, интегрированная с корпусом приемо-передающего устройства, позволяющая не только обеспечить двунаправленное соединение с базовой станцией в результате трехкратного переотражения радиосигнала, но и
