CC BY
6d ) https://dx.doi.org/10.36522/2181-9637-2022-3-2 UDC: 620.314
СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОЛНЕЧНЫХ
ФОТОПАНЕЛЕЙ
Захидов Ромэн Абдуллаевич1,
академик, доктор технических наук, профессор, e-mail: rzakhidov@mail.ru;
Захидов Нематжон Муратович2,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Альтернативные источники энергии», ORCID: 0000-0002-8938-5888, e-mail: n.zaxidov@tdtu.uz
1Институт проблем энергетики Академии наук Республики Узбекистан
2Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова
Аннотация. Статья посвящена вопросам использования возобновляемых источников энергии. Приведен сравнительный анализ существующих нетрадиционных источников энергии, одним из которых являются фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии в электрическую. Кроме того, освещены вопросы повышения их эффективности и основные факторы, влияющие на коэффициент преобразования. Рассмотрены существующие современные способы и устройства очистки оптической поверхности фотоэлектрических панелей, на основе которых предложена конструкция механической, электроприводной частей устройства очистки фотопанелей, а также блок-схемаэлек-тронной части.
Ключевые слова: энергетика, фотоэлектрические батареи, солнечное излучение, эффективность, преобразователь, очистка, оптическая поверхность, триггер, реле, аккумулятор.
QUYOSH FOTOPANELLARI OPTIK YUZASINI
TOZALOVCHI AVTOMATIK TIZIM
Zahidov Romen Abdullayevich1,
akademik, texnika fanlari doktori, professor;
Zahidov Nematjon Muratovich2,
texnika fanlari nomzodi, "Muqobil energiya manbalari" kafedrasi dotsenti
Введение
В настоящее время резко возрос интерес к возобновляемым и устойчивым источникам энергии. В прошлом использование этих возобновляемых источников энергии (ВИЭ) было экономически нецелесообразно. Перспектива развития электроэнергетики связана с проблемой экологии, которая с каждым годом ухудшается вследствии загрязнения атмосферы, воды, эрозии почвы, а также постепенного повышения температуры воздуха окружающей среды. Увеличение потребления существующих энергоносителей (природный газ, нефть, уголь, уран) существенно опустошает имеющиеся их запасы, кроме того, от их использования ухудшается экологическая обстановка, которая в свою очередь представляет серьезную угрозу. Во всем мире уделяется большое внимание методам снижения выбросов Ш2 в атмосферу, что отражается в концепции безуглеродной и низкоуглеродной экономики.
Одной из актуальных задач современности является разработка более эффективных методов использования ВИЭ и их
применение во всех отраслях жизнедеятельности человека.
ВИЭ существенно отличаются друг от друга по таким критериям, как экономичность, эффективность, доступность и, что особенно важно, экологичность. К ВИЭ относятся такие источники энергии, как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, энергия микро-ГЭС, геотермальная энергия, энергия приливов, волновая энергия, энергия, определяемая разностью температур по глубине океана. Вышеперечисленные источники, кроме геотермальной энергии и энергии приливов, относятся к источникам солнечного происхождения [1]. К числу ВИЭ можно отнести различные отходы и вторичные источники низкопотенциального тепла. Главными преимуществами ВИЭ являются неисчерпаемость или возобновля-емость, экологическая чистота и доступность [2, 3].
Согласно многочисленным проведенным научным исследованиям, среди ВИЭ солнечная энергия является наиболее эффективной и самой мощной, экологически чистой, долговечной и не зависящей от человеческого фактора.
Учитывая географическую широту расположения Узбекистана, где ограничены возможности использования ветроэнергетики и потенциала массы воды, наиболее актуальным является использование солнечной энергии, так как существует достаточно большое количество солнечных дней (более 300 дней в году) и высокая радиационная мощность [3].
Количество энергии, поглощаемой землей от солнечного света за один день, превышает энергию, потребляемую всем населением мира за один год.
Преобразование солнечного света в электричество стало возможным благодаря фотоэлектрическим элементам, на основе технологий, которые доступны сегодня - фотоэлектрические панели, с КПД до 22% на основе монокристаллического кремния. Используются также панели на
1O'zbekiston Respublikasi Fanlar akademiyasi Energetika muammolari instituti
2Islom Karimov nomidagi
Toshkent davlat texnika universiteti
Annotatsiya. Maqola qayta tiklanuvchi energiya manbalaridan foydalanish masalalariga bag'ishlangan. Kirish qismida noan'anaviy energiya manbalari turlaridan biri bo lgan quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantiruvchi fotoelektrik qu-rilmalar haqida taqqoslovchi tahlil keltirilgan, shuningdek, ishlab chiqarish samaradorligini oshirish va unga ta'sir etuvchi asosiy faktorlar yoritilgan. Bugungi kunda mavjud bo'lgan fotoelektrik panellarning optik yuzasini tozalovchi zamonaviy usullar va qurilmalar ko rib chiqilgan hamda shu asosida fotopanellarni tozalovchi qurilmaning konstruksiyasi, mexanik, elektr yuritkich va elektron blok-sxema qismlari taqdim etilgan.
Kalit so'zlar: energetika, fotoelektrik batareyalar, quyosh nurlanishi, samaradorlik, o zgartirgich, tozalash, optik toza, trigger, rele, akkumulyator.
SYSTEM FOR AUTOMATIC CLEANING OF
SURFACES OF SOLAR PHOTO PANELS
Zakhidov Romen Abdullaevich1,
Academician, Doctor of Technical Sciences, Professor;
Zakhidov Nematjon Muratovich2,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Alternative Energy Sources
Institute of Energy Problems of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan
2Tashkent State Technical University named after Islam Karimov
Abstract. The article is devoted to the use of renewable energy sources. It provides a comparative analysis of existing non-traditional energy sources, one of which is a photoelectric converter of the solar energy into the electrical one. In addition, the article highlights issues of increasing their efficiency and main factors affecting a conversion index. Existing modern methods and devices for cleaning optical surfaces of photovoltaic panels have been reviewed, that enabled proposing a design of mechanical and electric parts of a device for cleaning photovoltaic panels, as well as a block diagram of the electronic part.
Keywords: energy, photovoltaic batteries, solar radiation, efficiency, converter, cleaning, optical surface, trigger, relay, battery.
основе поликристаллического и аморфного кремния, с КПД 12-18% и 5-6% соответственно [4].
Есть факторы, которые отрицательно влияют на эффективность солнечных панелей, независимо от фотоэлектрического элемента. Например, если солнечные панели будут затенены, эффективность преобразования заметно снизится, в зависимости от расположения солнечных панелей и окружающей среды. Существуют различные факторы, которые могут отрицательно влиять на эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, к которым относятся грязь, сажа, птичий помет и переносимые по воздуху мелкодисперсные составляющие, в холодных регионах - снег или лед.
Поскольку солнечные панели иногда располагаются в труднодоступных местах, например на наклонной крыше, подъем на крышу для очистки системы солнечных панелей является обременительным, а зачастую и опасным. Кроме того, некоторые системы включают в себя большое количество отдельных солнечных панелей. Очистка каждой отдельной солнечной панели может занять слишком много времени, увеличить расходы на эксплуатацию и снизить параметры удобства эксплуатации. Следовательно, существует потребность в разработке автоматической системы очистки поверхностей фотопанелей с высокой эффективностью.
Из патентно-технической литературы известна «Фотоэлектрическая станция с функцией самоочистки» [5], содержащая фотоэлектрические модули, металлический каркас для крепления модулей, зарядное устройство, аккумуляторные батареи. Модули снабжены двумя перфорированными пленками для их подвешивания на пружинах на рамы каркаса. Подвеска фотоэлектрических модулей обеспечивает самоочистку поверхностей от сне-
га, за счет постоянных колебаний и возможности изгиба фотоэлектрических модулей одновременно в нескольких направлениях, за счет упругих деформаций, уменьшающих вероятность продолжительного залипания снега на поверхностях модулей и образования ледяной корки.
Основанным недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает самоочистку от пыли и других мелкодисперсных (пыльца, сажи, копоти и др.) составляющих атмосферного воздуха, т. к. оно предназначено в основном для самоочистки снега и ледяной корки, что характерно для северных широт с холодным и умеренным климатом.
Также известно «Устройство и способ автоматизированной очистки солнечной панели» [5], содержащее источник питания, соединенный с солнечной панелью, датчики контроля загрязнения и провода, расположенные на поверхности солнечной панели. Преимуществом этого устройства является показатель эффективности очистки поверхности солнечной панели от снега, льда, мусора и других объектов, мешающих преобразованию солнечной энергии. Однако недостатком рассмотренного устройства является также то, что оно предназначено в основном только для очистки от снега и льда и поэтому не может быть использовано для эффективной очистки от пыли и других составляющих атмосферы.
Представляет интерес «Панель солнечной батареи» [7], состоящая из вертикальной стойки, рамы и солнечных фотобатарей, при этом прямоугольные, продольные и поперечные ребра рамы расположены так, что образуемые ими ячейки имеют такое же соотношение сторон. Панель установлена шарнирно на центральной стойке и может независимо поворачиваться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, за счет установки двух дуг по 1800 прямоугольного сечения, для очистки поверхности
панели предусмотрена цилиндрическая щетка с возможностью вращения вокруг продольной оси и движения вверх-вниз по панели. Преимуществами выполнения такой панели являются: облегчение регулирования угла наклона в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в зависимости от изменения положения солнца на небосклоне и механизация очистки поверхности панели от пыли и атмосферных осадков.
Основными недостатками являются следующие: устройство не предназначено для очистки нескольких панелей ряда солнечных фотобатарей, оно производит очистку в вертикальном направлении (сверху вниз), низкий уровень автоматизации, необходимость применения электродрели, как привода для очистки, при этом ее необходимо вставить в гнездо и поддерживать процесс очистки вручную, что снижает уровень удобства эксплуатации и оперативности очистки ряда фотобатарей из-за необходимости обязательного участия обслуживающего персонала. Один цикл очистки совершается из возвратно-поступательного движения щетки сверху вниз и только одной солнечной батареи.
Постановка задачи. Создание автоматического устройства очистки оптической поверхности ряда солнечных фотобатарей с высокой оперативностью и уровнем удобства эксплуатации рядов массива солнечных панелей без участия персонала.
Техническое решение направлено на обеспечение максимальной энергоэффективности выработки электроэнергии, снижение расходов на обслуживание и эксплуатацию массивов солнечных фотобатарей путем повышения уровня автоматизации процесса очистки поверхностей фотопанелей.
Материалы и методы
Предлагаемое устройство очистки состоит из: двух направляющих рельсов (1) и (2) с зубцами (3) на фронтальной час-
ти и двумя продольными канавками (4), причем конечные части рельсов повернуты к тыльной стороне установленных на рамах (5) фотоэлектрических батарей (6) (рис. 1). На рельсах установлена вертикально расположенная подвижная платформа (7), перемещаемая в горизонтальном направлении (рис. 2 и 3) вдоль поверхностей фотобатарей посредством двух поворотных пластин, связанных через два отверстия в верхней части платформы (7), насаженная на две оси (8), закрепленные в верхней части пластин, которые перпендикулярно установлены и насажены через подшипники на две пары роликов (9), (10), связанные через продольные канавки (4) рельсов. Выступающие зубцы (3) зацеплены с шестерней (11), образуют шестеренчато-реечный механизм, связанный с осью (12), с цилиндрической щеткой (13), приводимый в движение через червячный редуктор-электродвигатель (14), подключенный к электроной схеме (рис. 4) реверсным блоком (15), на два входа которого подсоединены выходы S, RS-триггеров (16), (17), на входы через конденсаторы подсоединен выход ждущего одновибратора (18), на вход которого через контакт К обмотки реле (19) и фотореле (20) к источнику питания солнечной фотобатарей (6) с аккумулятором, выход фотореле (20) соединен с блоком совпадения (21), блоком ввода (22) через счетчик (23) выход блока (21) подключен к обмотке реле (19), вторая контактная пара R (сброс) счетчика (23) и реверсного блока (15) подсоединены к электродвигателю насоса (24). Концевые включатели (25) и (26), установлены на повернутых конечных частях рельсов. Выход от насоса (24) через электромагнитный гидроклапан (27) и гибкий эластичные шланг (28) подсоединены к распылителям воды (29) (соплам. насадкам) через гофрированную металлическую трубку (30), закрепленную к платформе (7). Электромагнитный гидроклапан (27) и электродвигатель насоса (24) подключены параллельно.
05.00.00 - ТЕХНИКА ФАНЛАРИ 05.00.00 - ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 05.00.00 - TECHNICAL SCIENCES
Рис. 1. Фронтальный вид ряда массива солнечных фотопанелей
Поворот концевых частей направляющих рельсов (1) и (2) необходим для исключения моментов затения потока солнечных лучей в начале и конце дня (восход и закат), когда угол падения лучей (сбоку) на поверхности солнечных фотобатарей максимален, и поток может быть затенен элементами конструкции подвижной платформы (7) (цилиндрическая щетка, несущая часть, элементы электропривода, электродвигатель и др.).
Результаты исследования
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии солнечный световой поток в начале и конце дня будет поступать без препятствия на поверхности солнечных фотобатарей, т. к. платформа (7) с электроприводом и цилиндрической щеткой (13), будут находиться в повернутой к тыльной стороне части (вне плоскости) поверхностей. Для обеспечения режима самоочистки поверхностей, посредством блока ввода информации, вводится число суток, определяемая путем мониторинга уровня загрязнения в данной местности, при котором требуется очистка (допустимый уровень снижения энергоэффективности до 5%), например 10 дней (суток), она вводится через блок (22), после которого электронная схема входит в режим ожидания, при этом напряжение от источника питания (6) с аккумулятором поступает на фотореле (20).
От фотореле (20) ежесуточно поступают одиночные импульсы на вход счетчика, и как только цифра 10 будет воспринята блоком совпадения (21), на выходе появится напряжение высокого уровня, которое поступит на обмотку реле (19), сработают контакты, при этом К включит напряжения на электродвигатель насоса (24). Нагнетаемая вода, пройдя через закрытое внешнее отверстие клапана (27) (в исходном состояние он открыт) и шланг (28), поступит к распылителям (29) через гофрированную гибкую трубку (30) и начнет омывать поверхности фотобатарей (6). Одновременно контакты К через ждущий одновибратор (18) сформируют импульс напряжения с некоторой задержкой времени, необходимой для преодоления расстояния потока воды к распылителям (соплам) от насоса (24) через длину шланга. По истечении времени спад напряжения от ждущего одновибратора (18) через конденсатор поступит на вход S, RS-триггера (15) (в случае, когда платформа (7) находится в левой стороне), который включит реверсный блок (15) через выход электродвигателя (14), последний через червячный механизм начнет перемещать платформу (7) в правом направлении, вместе с омывающей водой через распылители (29) и вращающуюся щетку (13). Импульс от одновибратора (18) через конденсатор не будет воспринят RS-триггером (15), т. к. вход R заблокирован
05.00.00 - ТЕХНИКА ФАНЛАРИ 05.00.00 - ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 05.00.00 - TECHNICAL SCIENCES
контактом (25) (замкнут) за счет механического прижима элементом платформы (7) к концевой части рельса в левой части.
Передвигаясь и омывая поверхности фотобатарей (6), платформа (7) достигнет правой конечной точки рельсов (после прохождения поворотной части), при этом замкнется второй концевой включатель (26), импульс от него через конденсатор отключит через вход R RS-триггера (24) напряжение на реверсный блок (15), отк-
лючится электродвигатель (14), счетчик обнулится, из-за разностей показаний (0 и 10) отключится обмотка реле (19), разомкнутся контакты К и К и соответственно отключится насос (21), электромагнитный клапан (27) откроется и остаток воды выльется через него, для исключения замерзания воды в шланге (28) и трубке в зимнее время. Вход одновибратора (18) обесточится через контакты К , электронная схема опять войдет в режим ожидания.
Рис. 2. Конструкция механической части устройства очистки поверхностей ряда фотоэлектрических панелей
Рис. 3. Схема кинематического привода устройства очистки (вид сбоку)
По истечении заданного времени сработает блок совпадения, включится реле (19), вместе с ним насос (24), опять закроется клапан (27), вода поступит к рассеивателям воды, сигнал от контакта К11 с задержкой через ждущий одно-вибратор (18) поступит на вход S, RS-триггера (17), сработает реверсный блок (15), только в обратной полярности напряжения, и электродвигатель (14) начнет движение в обратном направле-
нии, платформа (7) начнет движение и очистку справа налево. Импульс от ждущего одновибратора (18) не будет воспринят RS-триггером (16), т. к он заблокирован концевым включателем (26) через вход R.
Платформа (7), достигнув левого конца, включит концевой включатель (25), отключится RS-триггер (17), реверсный блок (15) и электродвигатель (14), отключится реле (19), насос (24),
05.00.00 - ТЕХНИКА ФАНЛАРИ 05.00.00 - ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 05.00.00 - TECHNICAL SCIENCES
откроется электромагнитным клапан (27), через который выльется остаток воды, и платформа примет исходное состояние до истечения следующих заданных 10 суток, после чего процесс будет повторяться, как в предыдущем цикле.
Предлагаемое устройство обеспечивает выгодный режим очистки как в одном, так и в другом направлении, т. е. в нем отсутствует холостой режим движения платформы. Движение в исходное состояние обеспечивается заданным алгоритмом электронной схемы.
23
Рис. 4. Блок-схема электронной части системы очистки фотопанелей
Выводы
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокий уровень удобства эксплуатации и оперативности процесса очистки не только одной солнечной фотобатареи, но целого ряда или рядов массива, без участия обслуживавшего персонала, за счет полной автоматизации
процесса очистки поверхностей солнечных фотопанелей, что позволяет снизить расходы на обслуживание и эксплуатацию массивов, обеспечить максимальную энергоэффективность выработки электроэнергии, исключить необходимость применения дополнительных средств, в отличие от прототипа.
REFERENCES
1. Zakhidov R.A. Al'ternativnyye istochniki energii: effektivnost' i upravleniye [Alternative Energy Sources: Efficiency and Management]. International Journal of Solar Engineering, 1990, no. 2.
2. Zakhidov R.A. Tadzhiyev U.A., Kiseleva Ye.I. Prioritetnoye ispol'zovaniye gidroenergoresursov-effektivnaya mera v uluchshenii energoobespecheniya ob"yektov v sel'skoy mestnosti Uzbekistana [Priority use of hydropower resources is an effective measure in improving the energy supply of
facilities in rural areas of Uzbekistan]. Trends in the Development of Alternative and Renewable Energy: Problems and Solutions. Proceedings of the International scientific and technical conference. Tashkent, 2021, May 17-18, pp. 37-41.
3. Mani M. Pillayz. Renewable and Sustainable Energy Reviens, 2010, vol. 14, pp. 3124-3131.
4. Zakhidov N.M., Pulatova D.M. et al. Solnechnaya fotoelektricheskaya ustanovka s sistemoy orientatsii [Solar photovoltaic installation with an orientation system]. Nanostructured semiconductor materials in photovoltaics. Proceedings of the II International scientific practical conference. Tashkent, November 19-20, pp. 560-565.
5. Fotoelektricheskaya stantsiya s funktsiyey samoochistki [Photovoltaic station with self-cleaning function]. Patent RF RU2558398S2. Bulletin10.06.2015, no. 16.
6. Ustroystvo i sposob avtomatizirovannoy ochistki solnechnoy paneli [Device and method for automated cleaning of the solar panel]. Patent PF RU2645444C1, IPC MOIL 31/024. Bulletin, 02.21.2018, no. 6.
7. Panel' solnechnoy batarei konstruktsii Burkova [Solar battery panel designed by Burkov]. Patent of RF RU2280217C1, L.N.MPK F 24j2/52. Bulletin, 20.07.2006, no. 20.
8. Zakhidov R.A. Zerkal'nyye sistemy kontsentratsii luchistoy energii [Mirror systems for the concentration of radiant energy]. Academy of Sciences of the Uzbek SSR, Center. project-construct. and technol. scientific bureau instrumentation. Tashkent, Fan, 1986, 172 p.
9. Zakhidov R.A., Tadzhiyev U.A., Kiseleva Ye.I. Vozobnovlyayemyye istochniki energii kak faktor obespecheniya energeticheskoy bezopasnosti Uzbekistana [Renewable energy sources as a factor in ensuring the energy security of Uzbekistan]. Environmental, industrial and energy security, 2017. Proceedings of the scientific and practical conference with international participation, Sevastopol, 2017, September 11-15, 2017. Ed. Yu.A. Omelchuk, N.V. Lyamina, G.V. Kucherik. Sevastopol, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Sevastopol State University", 2017, pp. 503-507.
10. Zaxidov N., Rahmatillayev S., Gafurov, D. Electronic recorder of deviation from straightness with optical-light guide analyzer. E3S Web of Conferences, 2020, vol. 216, p. 01148. DOI: 10.1051/ e3sconf/202021601148/.
Рецензент: Тошболтаев М.Т., д.т.н., профессор, заместитель директора по научной работе и инновациям Научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства.
