CC BY
232
ISSN 1992-6502 (Print)_
2017. Т. 21, № 3 (77). С. 60-65
Вестник УГАТУ
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 62-868
Система очистки солнечных панелей
17 Ч
Ф. Р. Исмагилов , В. Е. Вавилов , Р. А. Нургалиева
[email protected],2 [email protected], 3 [email protected]
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 22.06.17
Аннотация. Солнечная энергия становится ключевым ресурсом электрической энергии в современном мире. Поэтому необходимо ее рациональное и выгодное использование. В статье рассматриваются вопросы эффективного использования солнечных панелей благодаря устройствам автоматической очистки в зимнее время. Предложенное устройство позволяет использовать солнечную энергию в максимальных количествах независимо от погодных условий и времени года. Данное устройство может использоваться при строительстве новых солнечных электростанций, а также при модернизации уже существующих. Развитие и модернизация солнечной энергетики позволит в будущем улучшить экономическую сторону энергетического состояния нашей страны.
Ключевые слова: солнечная панель; система очистки; колебания проводов; резонанс; сила Ампера.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальным вопросом в современном мире является проблема сокращения запасов ископаемого топлива и переход к альтернативным видам топлива. Связано это прежде всего с исчерпаемостью природных ресурсов и загрязнением окружающей среды.
Из существующих направлений развития альтернативной энергетики наиболее перспективным является солнечная энергетика. Ее потенциал оценивается столетиями, а вредные влияния на окружающую среду минимальны.
Целью использования солнечной энергетики является преобразование солнечного излучения в различные виды энергии. Многие развивающиеся страны мира, заинтересованные в вопросах солнечной энергетики, ищут различные пути сокращения стоимости обслуживания и эксплуатации солнечных панелей.
В Республике Башкортостан вопрос солнечной энергетики также является значимым, и ему уделяется большое внимание со стороны правительства. Так, согласно перспективному плану развития Республики Башкортостан к 2018 г. планируется по-
строить 2 солнечные электростанции общей мощностью 15 МВт. На сегодняшний день в регионе действуют 2 очереди Бурибаевской СЭС (20 МВт) и 3 очереди Бугульчанской СЭС (15 МВт), то есть установленная мощность солнечной генерации в регионе достигла 35 МВт. Суммарная мощность всех будущих СЭС в регионе составит 64 МВт, а общий объем инвестиций оценивается более чем в 6 млрд руб. [1].
В связи с этим возникает необходимость увеличения эффективности эксплуатации солнечных панелей. Своевременное выявление загрязнений, инородных предметов на поверхности панели и быстрое их удаление позволит сделать это. Именно от степени загрязненности зависит эффективность и ресурс работы солнечных панелей.
По средним многолетним данным в год в г. Уфе устойчивый снежный покров образуется в середине ноября (иногда и первую декаду апреля) и сохраняется до конца марта. В среднем в году бывает около 164 дней со снежным покровом, т.е. более пяти месяцев [2]. Несомненно, наличие снежного покрова сказывается на эффективности работы солнечных панелей и их КПД.
Таблица 1
Энергетические показатели кристаллического модуля СЭС
Пасму эный день Ясный день
Без снежного Со снежным Без снежного Со снежным
покрытия (12 ноября) покрытием (20 ноября) покрытия (2 ноября) покрытием (20 января)
Максимум интенсивности солнечной радиации 25 32 420 375
Максимум вырабатываемой 2,8 0,9 100 43
мощности
Выработанная
электрическая энергия 13 2 450 180
за сутки
Таблица 2
Энергетические показатели микроморфного модуля СЭС
Пасму эный день Ясный день
Без снежного Со снежным Без снежного Со снежным
покрытия (12 ноября) покрытием (20 ноября) покрытия (2 ноября) покрытием (20 января)
Максимум интенсивности солнечной радиации 25 32 420 375
Максимум вырабатываемой 2,1 0,8 47 46
мощности
Выработанная
электрическая энергия 10 2 200 170
за сутки
Для оценки влияния погодных условий на выработку энергии солнечными панелями была выбрана СЭС, установленная на кафедре электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета. Используются две фотоэлектрические панели производства компании Hevel (микроаморфный модуль номинальной мощностью 125 Вт и кристаллический модуль площадью 1,286 м , номинальная мощность кристаллического модуля 223 Вт, угол установки фотоэлектрических модулей 39 град). Для изучения было выбрано четыре дня: два ясных дня и два пасмурных. При этом в один из двух дней наблюдалось налипание снега на солнечные панели.
Средняя продолжительность этих дней составляла 8 ч 30 мин. При этом уровень интенсивности солнечной радиации в сравниваемых днях приблизительно одинаковый.
Проведенные исследования позволили получить результаты, с помощью которых можно оценить влияние снежного покрова на эффективность выработки энергии солнечными панелями (табл. 1, 2). Наличие снежного по-
крова приводит к снижению мощности кристаллического модуля в 2 раза, а микроморф-ного - на 10%. То есть на вырабатываемую электрическую мощность влияют и плохие погодные условия, и наличие снежного покрова, но практически не влияет прозрачный лед.
Необходимо, чтобы поверхность солнечных панелей периодически могла самоочищаться от снега, опавших листьев и пыли, так как обычно установка солнечных электростанций производится на удаленных территориях и постоянная слежка персоналом за их чистотой невозможна [3]. Контроль и постоянное обслуживание удорожает стоимость сооружения, а уменьшение стоимости строительства и обслуживания солнечных электростанций является ключевым фактором дальнейшего развития.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ
Предложен ряд вариантов, позволяющих автономно и самостоятельно производить очистку панелей. Например, нанесение специального состава, установка защитной панели, использование автоматизированных
роботов, применение гибких модулей, применение явления вибрации [4]. Каждая предложенная концепция обладает своими достоинствами и недостатками. Нашей инициативной группой была разработана модель с усовершенствованной технологией очистки, лишенная ключевых недостатков. В будущем такие технологии позволят полностью исключить зависимость производства электроэнергии от погодных условий и наличия обслуживающего персонала.
Целью данной работы стала автоматизация процессов очистки солнечных панелей с целью увеличения их эффективности и работоспособности. Важным моментом является использование солнечных панелей независимо от температурных и погодных условий, а также отсутствие обслуживающего персонала и возможность установки данной системы на уже существующих солнечных панелях.
Данное устройство позволяет получить результат, который позволит увеличить работоспособность и КПД панели. Достигается это благодаря эффективному способу очистки поверхности солнечной панели от снега, льда, мусора и других объектов, мешающих преобразованию солнечной энергии (рис. 1).
Все это реализуется с помощью технических средств: источника питания, соединенного с солнечной панелью, параллельных проводов, датчиков контроля загрязнения проводов, расположенных на поверхности солнечной панели. Датчики контроля загрязнения выполнены в виде датчиков натяжения проводов, расположенных по всей внешней грани (рис. 2).
Провода, выполненные с возможностью колебания, располагаются параллельно друг другу и установлены на поверхности солнечной панели. В качестве источника питания используют источник переменного тока.
Удаление гололеда предлагается производить не с помощью термического воздействия от протекающего по проводам тока, а с помощью электромеханического воздействия на лед [5].
Известно, что два параллельных тока одинакового направления притягиваются друг к другу или отталкиваются под действием возникающей между ними силы Ампера (рис. 3) [6].
Рис. 2. Общий вид солнечной панели с установленной системой очистки: 1 - солнечная панель; 2 - провода; 3 - контроллер; 4 - датчики натяжения проводов; 5 - аккумуляторный блок; 6 - инвертор
Рис. 3. Действие силы Ампера на провода
Численно сила Ампера, действующая на участок провода длиной, равна:
=
М 2/112
4к Я
Рис. 1. Система очистки солнечной панели:
1 - провода; 2 - датчики натяжения проводов
где - сила Ампера, действующая на участок провода длиной Ш, Н; Ш - длина участка провода, м; 1Х - ток, протекающий в первом проводе, А; /2 - ток, протекающий во втором проводе, А; Я - расстояние между проводами, м; - магнитная постоян-
_у ^
ная, равная 4л-10 Н/А ; ц - относительная магнитная проницаемость.
При пропускании по двум проводам импульсов переменного тока провода будут совершать механические колебания под действием периодически появляющейся
и исчезающей силы Ампера. Благодаря этим колебаниям провода соприкасаются друг с другом, и снежный покров, образовавшийся на проводах, будет со временем спадать [6].
Для повышения эффективности предлагаемого способа и снижения потребления энергии, необходимо, чтобы частота импульсов тока, проходящих по проводам, была равна собственной частоте колебаний обледеневших проводов, закрепленных на солнечной панели. При этом возникает явление резонанса, приводящее к разрушающему воздействию на лед.
Предлагаемая разработка должна уменьшить энергозатраты на очистку проводов. Так как производится механическое разрушение льда и время, затрачиваемое на очистку, будет существенно меньше времени, затрачиваемого на плавку. Кроме того, затраты энергии на очистку будут ниже, чем при плавке, даже при большей мгновенной мощности, необходимой для создания колебаний.
Устройство работает следующим образом:
• аккумуляторный блок как накопитель энергии;
• инвертор преобразует постоянный ток от аккумуляторных батарей в переменный;
• датчики натяжения проводов, позволяют сигнализировать о наличии обледенений на проводах;
• контроллер состояния проводов и включения системы очистки.
При накоплении льда или тяжелого слоя грязи на проводах срабатывают датчики натяжения, которые передают данные на контроллер. Контроллер позволяет оценить состояние проводов и при необходимости запустить механизм подачи переменного тока с частотой 50Гц на провода. После подачи тока провода начинают постепенно колебаться в течение определенного времени. Далее датчики либо срабатывают, либо нет в зависимости от натяжения проводов.
Очевидным требованием, предъявляемым к таким устройствам, будет являться
относительная простота реализации, сравнительно низкая стоимость и высокая надежность.
Например, если взять два параллельных провода длиной 1 м и пропускать по ним ток одинаковой величины 5 А, но противоположного направления, при этом менять расстояние между проводами, то получим график зависимости силы взаимодействия между проводами от расстояния между ними (рис. 4):
1
- при d = 5 см
|121 4л-10"7 • 52 -103 л_4
А1
А2
2лd 2л' 50
- при d = 10 см
1012/ 4л-10 "7 -52-103
2лd 2л- 100
- при d - = 15 см
10121 4л-10 ~7 - 52-103
А3
2лd 2л • 150
- при d = 20 см
10121 4л-10~7 • 52-103
10 "4 Н;
= 0,5 -10 "4 Н;
= 0,33 -10 4 Н;
1 =
1 А4
2лd 2л-200
- при d = 25 см
10121 4л-10~7 • 52 • 103
= _
= 0,25 -10 4 Н;
2лd
2л - 250
= 0,2 -10 4 Н;
Рис. 4. Зависимость силы взаимодействия проводов от расстояния между ними
Из графика видно, что расстояние между параллельными проводами существенно влияет на силу взаимодействия между ними. Поэтому для достижения максимального эффекта расстояние между проводами должно быть 5-10 см (табл. 3).
Рис. 5. Колебания силы взаимодействия проводов
Переменный ток, протекающий в проводах, изменяется по синусоидальному закону, тогда сила взаимодействия проводов будет равна
¥л
Ц0 (1Бт Ш/) I Ц01 I(1 - 008 2ш/)
2 2кШ 2
Можно заметить, что сила пульсирует с двойной частотой ооб2ш/ по сравнению с частотой тока (рис. 5). То есть при пропускании по проводам переменного тока с частотой 50 Гц возникают устойчивые колебания, способные создать механические колебания проводов. Возникает явление резонанса.
Если принять во внимание время этих колебаний, за которое спадет отложившийся снежный покров и лед, то можно привести данные силы в зависимости от времени и частоты.
Таблица 3 Зависимость силы от частоты и времени работы устройства
Гц Время работы, с
300 600 900
2 3,069 10-5 1,1910-4 2,54 10-4
5 8,184 10-4 5,944 10-4 6,129 10-5
10 5,944 10-4 9,643 • 10-4 2,30110-4
15 6,129 10-5 2,301 • 10-4 4,652 10-4
20 9,643 10-4 1,376 10-4 7,087^10-4
25 3,473 • 10-4 9,068 10-4 9,011 • 10-4
50 9,068 10-4 3,382 10-4 3,565 • 10-4
75 9,011 • 10-4 3,565 10-4 3,291т-4
100 3,382 10-4 8,953 • 10-4 9,17610-4
150 3,565 • 10-4 9,17610-4 8,832 10-4
Процесс возникновения колебаний в проводах позволяет обеспечить достижение поставленной цели с помощью минимальных затрат и максимальных энергоэффективных показателей. Это позволяет оценивать перспективу использования как альтернативной энергетики, так и солнечной энергетики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, представленное изобретение автоматизирует процесс очистки солнечных панелей. Процесс очистки происходит независимо от температурных и погодных условий и при отсутствии обслуживающего персонала, также позволяет устанавливать и использовать данную систему на уже существующих солнечных панелях.
В результате повышается эффективность очистки поверхности солнечной панели от снега, льда, мусора и других объектов, мешающих преобразованию солнечной энергии. Решая экономические аспекты, устройство позволяет сократить затраты на содержание обслуживающего персонала, использования моющих средств и дополнительного дорогостоящего оборудования. Конструкция минимизирована относительно составного оборудования и тем самым лишена затрат на техническое содержание и обслуживание. Благодаря такой конструкции срок окупаемости данного
устройства сократится, а срок эксплуатации увеличится.
Использование таких устройств позволит уже сегодня использовать солнечную энергию весьма интенсивно и даст возможность занять значимое место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран. Также активное принятие на государственном уровне законов, которые дают существенную поддержку развитию солнечной энергетики, позволит значительно увеличить количество строящихся и эксплуатируемых солнечных электростанций, которые в свою очередь поспособствуют постепенному переходу от производств, зависящих от традиционного вида топлива к альтернативным.
Работа выполнена в рамках гранта государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации (проект НШ-6858.2016.8 «Фундаментальные исследования электромагнитных и тепловых полей высокооборотных электромеханических преобразователей энергии с учетом требований прочности, с целью их многомерной оптимизации»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурибаевская солнечная электростанция вышла на проектную мощность [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node (дата обращения 07.06.2017). [ Buribaevskaya solar power station reached its designed capacity (2017, Jun. 7) [Online]. Available: https://minenergo.gov.ru/node ]
2. Климат_Башкортостана [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения 07.06.2017). [ Climate of Bashkortostan (2017, Jun. 7) [ Online ]. Available: https://ru.wikipedia.org/wiki/ ]
3. Робот sharp повысит кпд солнечных батарей [Электронный ресурс]. URL: http://energysafe.ru/alternative_energy/companies/1776/ (дата обращения 10.06.2017). [ The robot sharp will improve the efficiency of solar panels (2017, Jun. 10) [ Online ]. Available:
http://energysafe.ru/alternative_energy/companies/1776/ ]
4. Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. Пособие. М.: Высш. шк., 1990. 478 с. [ T. I. Trofimova, Physics course (in Russian). М.: Vyssh. sch., 1990. ]
5. Факторы, влияющие на эффективность использования солнечных панелей [Электронный ресурс]. URL: http://www.alterenergy.info/interesting-facts/110-the-solar-energy/432-factors-affecting-efficiency-solar-panels (дата обращения 8.06.2017). [ Factors affecting the efficiency of solar panels (2017, Jun. 8) [ Online ]. Available http://www.alterenergy.info/interesting-facts/110-the-solar-energy/432-factors-affecting-efficiency-solar-panels ]
ОБ АВТОРАХ
ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович, д-р техн. наук, проф., зав. каф. электромеханики. Дипл. инж-электромех. (УАИ, 1973). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
ВАВИЛОВ Вячеслав Евгеньевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотруд. каф. электромеханики. Дипл. инж.-электромех. (УГАТУ, 2010). Иссл. в обл. высокоэффективных энергетических преобразователей энергии.
НУРГАЛИЕВА Рушана Азатовна, магистрант каф. электромеханики. Дипл. бакалавр электроэнергетика и электротехника (УГАТУ, 2016).
METADATA
Title: System of cleaning solar panels. Authors: F. R. Ismagilov1, V. E. Vavilov2, R. A. Nurgalieva3. Affiliation: Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: [email protected], [email protected],
[email protected] Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 21, no. 3 (77), pp. 60-65, 2017. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: Solar energy is becoming a key resource of electrical energy in the modern world. Therefore, its rational and beneficial use is necessary. The article discusses the effective use of solar panels, due to use devices for automatic cleaning in the winter. The proposed device allows the use of solar energy in maximum quantities, regardless of the weather conditions and season. This device can be used in the construction of new solar power plants, as well as in the modernization of existing ones. Key words: Solar panel; cleaning system; wire oscillations;
resonance; Ampère power. About authors:
ISMAGILOV, Flur Rashitovich, Prof., Head of the Dept. of EM.
Dipl. Ing-electromechanical (UAI, 1973), Dr. of Tech. Sci. VAVILOV, Vyacheslav Evgenievich, Ph.D., senior lecturer of the Dept. of EM. Dipl. Ing-electromechanical (USATU, 2010).
NURGALIEVA, Rushana Azatovna, Grad. Student, Dept. of Electromechanics. Bachelor's diploma (USATU, 2016).
