Науково-технічні засади підвищення енергоефективності фотоелектричних джерел електропостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут відновлюваної енергетики

УДК 521.3.01

Спеціальність 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Науково-технічні засади підвищення енергоефективності фотоелектричних джерел електропостачання

Бєкіров Ескендер Алімович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі електропостачання та фізики Національної академії природо-охоронного та курортного будівництва МОН України, м. Сімферополь.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Юрченко Микола Миколайович, провідний науковий співробітник відділу транзисторних перетворювачів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ;

- доктор технічних наук, професор Переверзєв Анатолій Васильович, проректор з наукової роботи Запорізького інституту економіки і інформаційних технологій МОН України, м. Запоріжжя;

- доктор технічних наук, професор Смирнов Володимир Сергійович, директор НДІ телекомунікацій Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій Мінтрансу та зв'язку України, м. Київ.

Захист відбудеться "24" червня 2008 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.249.01 в Інституті відновлюваної енергетики НАН України за адресою: 02094, м. Київ, вул. Червоногвардійська, 20а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту відновлюваної енергетики НАН України (02094, м. Київ, вул. Червоногвардійська, 20а).

Автореферат розіслано "23" травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Т.В. Суржик.

Анотація

Бєкіров Е.А. Науково-технічні засади підвищення енергоефективності фотоелектричних джерел електропостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - Перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню науково-прикладної проблеми підвищення енергоефективності фотоелектричних перетворювачів енергії сонячного випромінювання.

В роботі досліджено особливості електротеплового стану в струмових каналах фотоперетворювачів та його стійкості до малих збурень. Розроблено узагальнений метод аналізу стійкості системи "фотобатарея - різні види навантаження", визначено умови узгодження електричних характеристик фотобатарей і навантаження, при яких забезпечується енергоефективне трансформування енергії від фотобатарей до навантаження та якість електричної енергії в системі. Розроблено засоби перетворення енергії постійного струму фотобатарей в змінний синусоїдальний струм промислової частоти 50 Гц на основі вторинних напівпровідникових стабілізаторів напруги з широтно-імпульсною модуляцією, дроселів, пристроїв захисту від перевантажень, пристроїв синхронізації з мережею, випрямлювачів тощо.

Ключові слова: сонячне випромінювання, фотоперетворювач, фотобатарея, навантаження, вторинне джерело живлення, стійкість.

Аннотация

Бекиров Э.А. Научно-технические основы повышения энергоэффективности фотоэлектрических источников электроснабжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.08 - Преобразование возобновляемых видов энергии. - Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно-прикладной проблемы повышения энергоэффективности использования фотоэлектрических преобразователей энергии солнечного излучения за счет обеспечения электродинамического и энергетического согласования параметров первичного источника энергии с различными видами нагрузок, а также разработки новых технических решений для вторичных полупроводниковых преобразователей энергии и их отдельных элементов.

В диссертации на основе синергического подхода исследованы условия и особенности формирования пространственно-неоднороднных структур при развитии в токовых каналах фотоэлектрических преобразователей электротепловой неустойчивости. Показано, что весьма вероятным следствием развития неустойчивости может являться экспонециально-синусоидальный характер роста малых возмущений электрических полей, токов и температуры в токовых каналах во времени, что дает новую трактовку причины возникновения высокочастотных флуктуаций напряжения в отдельных фотопреобразователях. Выполнен также анализ устойчивости токораспределения в системе параллельно-последовательно связанных фотопреобразователей, формирующих фотобатареи, который приводит к такому же выводу о причинах возникновения высокочастотных флуктуаций напряжения на фотобатареях в целом, что наблюдается экспериментально.

Исследованы процессы в системах "фотобатарея - различные виды нагрузок" с точки зрения системной устойчивости, включая активно - реактивные нагрузки, нагрузки с зависимостью сопротивления от температуры и электромеханические нагрузки в виде двигателей постоянного тока с различными схемами организации магнитного потока возбуждения и соответственно с различной структурой электрических цепей в нагрузке.

Рассмотрены вопросы рационального согласования первичных источников энергии (фотобатарей и электрохимических аккумуляторов) с активными нагрузками и двигателями постоянного тока по критерию максимума электрической энергии, выделяемой в нагрузке (для активных нагрузок) и по критериям максимума механического момента, числа оборотов, мощности (для двигателей постоянного тока), которые определяют эффективность использования энергии солнечного излучения в автономных системах при прямом включении фотобатарей на нагрузку.

На примере двухпроводной линии, соединяющей первичный источник питания с автономной нагрузкой, вторичным источником электропитания или сетью, на основе метода комплексных амплитуд рассмотрены процессы распространения и затухания высших гармонических составляющих, генерируемых первичным источником в начале линии или нагрузкой в конце линии. Такой анализ дает возможность проанализировать взаимосвязи флуктуаций напряжения в источнике и нагрузке с флуктуациями тока и, в конечном итоге, с флуктуациями мощности.

В совокупности выполненные теоретические исследования позволили научно обосновать вывод о необходимости и целесообразности разработки вторичных многофункциональных источников питания, устанавливаемых между фотобатареями и нагрузками и выполняемых по модульному принципу.

В состав модулей вторичных источников электропитания для фотоэлектрических преобразователей и фотобатарей в качестве основных входят: модуль стабилизации постоянного напряжения первичного источника питания (фотобатареи), модуль генерации синусоидального напряжения (инвертор), модуль синхронизации источника вторичного электропитания с сетью с блоками защиты по напряжениям и токам.

В основу новых технических решений по схемотехнике стабилизаторов напряжения первичного источника положен, вытекающий из анализа динамики систем с фотобатареями, вывод о широком диапазоне изменения выходного напряжения на фотобатареях при изменении уровня солнечной радиации, нелинейности ВАХ фотобатареи и изменении параметров нагрузки.

Разработанные структурные и функциональные схемы стабилизаторов обеспечивают приемлемые для инженерной практики уровни входных напряжений на блоках преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальное с высоким качеством выходной синусоиды напряжения, обеспечиваемых новыми техническими предложениями по схемотехнике инверторов.

Для надежного энергетически эффективного согласования параметров первичного источника с сетью наряду с блоком генерации синусоидального напряжения разработаны оригинальные схемы синхронизации выходного напряжения инвертора с напряжением сети по уровню, частоте и фазе с соответствующими подсистемами защиты по напряжениям и токам.

В результате в диссертационной работе на основе методов аппроксимации гармонических синусоидальных функций, заданных дискретно, были разработаны новые способы преобразования энергии постоянного тока фотобатарей в синусоидальный переменный ток промышленной частоты и новые технические предложения по структуре отдельных функциональных блоков (стабилизаторов напряжения, генераторов синусоидального напряжения, инверторов, устройств защиты от перегрузок, выпрямителей, устройств синхронизации с сетью), приоритет которых закреплен 53 патентами Украины.

Ключевые слова: солнечное излучение, фотопреобразователь, фотобатарея, нагрузка, вторичный источник питания, стойкость.

Annotation

Bekirov E.A. Scientific and technical principles to increase photovoltaic electricity supply sources efficiency. - Manuscript.

The dissertation paper for a doctor's degree competition on speciality 05.14.08 - Renewable energy sources transformation. - The Institute of Renewable Energy of the National Academy of the Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

The dissertation paper discovers the ways to solve the research and applied issue on PV solar radiation transformers' efficiency increasing.

The dissertation paper researches the features of electro-thermal mode in PV transformers' current channels, as well as its resistance to small disturbance. There was developed an analysis method for defining resistance in the system "PV battery - different load types". Also there have been determined coordination terms for PV batteries' electricity characteristics and loads under which energy efficient transformation from batteries to loads and electricity quality in the system are ensured. There have been developed means to transform PV batteries direct current into variable sinusoidal current of industrial frequency 50 Hz based on secondary semi-conducting voltage stabilizers with pulse-width modulation, inductors, surge protection devices, devices for grid synchronization, rectifiers etc.Key words: solar radiation, PV transformer, PV battery, load, secondary power source, resistance.

1. Загальна характеристика роботи

Проблема підвищення енергоефективності фотоелектричних систем електроживлення, які на даний час є основним джерелом в космічній енергетиці, вирішується на різних рівнях, включаючи підвищення коефіцієнтів корисної дії при перетворюванні енергії сонячного випромінювання в електричну енергію за рахунок використання нових матеріалів і технологій їх виробництва, використання концентраторів сонячного випромінювання для зменшення площі дорогих напівпровідникових матеріалів, застосування різних видів електрохімічних акумуляторів для забезпечення електричною енергією споживачів у той час, коли суттєво зменшується інтенсивність сонячного випромінювання. Це є важливим як при безпосередньому зв'язку фотоелектричних джерел електроживлення зі споживачами, так і при використанні вторинних джерел електроживлення між фотобатареями та навантаженням.

В загальній енергетиці проблема підвищення енергоефективності електропостачання, в тому числі якості параметрів електричної енергії (стабілізація напруги, зменшення несинусоїдальності і несиметрії напруг і струмів), досліджено в роботах А.К. Шидловського, Б.С. Стогнія, О.В. Кириленка, В.Г. Кузнецова, А.Ф. Жаркіна, П.Г. Стахіва, О.Ф. Буткевича, С.П. Денисюка, М.С. Сегеди і багатьох інших вчених як в Україні, так і за її кордонами. Необхідно відмітити, що значною мірою успіхи у вирішенні проблеми підвищення енергоефективності в загальній електроенергетиці були обумовлені досягненнями в силовій напівпровідниковій електроніці завдяки роботам І.М. Чиженко, А.К. Шидловського, В.С. Руденко, І.В. Волкова, К.О. Липківського, В.Т. Долбні, М.М. Юрченка, Е.І. Сокола, В.Я. Жуйкова, М.П. Макаренко, О.І. Денисова, Г.Г. Жемерова, В.С. Смирнова, А.В. Переверзєва та інших.

Що стосується фотоелектричної тематики, то тут необхідно відмітити роботи Ю.І. Драбовича, М.М. Юрченка, в яких були закладені основи теорії і принципи побудови вторинних напівпровідникових джерел електроживлення для космічної енергетики, де ключовою проблемою, що була вирішена, було забезпечення надійності їх функціонування. Що стосується фотоелектричних систем електроживлення наземного базування, які розглядались в роботах Ю.І. Якименко, Е.І. Сокола, В.Я. Жуйкова, Ю.С. Петергері, то в них основна увага приділялась вирішенню задач керування системами електроживлення автономних об'єктів без урахування особливостей динамічних процесів саме в фотоперетворювачах.

Актуальність теми. Актуальність теми дисертації обумовлена тією обставиною, що в даний час досягнуто, як достатньо високі значення коефіцієнта перетворення енергії сонячного випромінювання в кремнієвих фотоелектричних перетворювачах, так і високі коефіцієнти перетворення електричної енергії у вторинних напівпровідникових перетворювачах. Основні резерви підвищення енергоефективності зосереджено в раціональному функціонуванні первинних і вторинних джерел електропостачання, і з цієї причини розробка системного підходу до вирішення задачі підвищення енергоефективності фотоелектричних систем електроживлення з урахуванням особливостей фотоелектричних перетворювачів і фотобатарей є окремим актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилася згідно програми Міністерства освіти і науки України, напрямок 04 "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології", НДР "Підвищення ефективності комплексного використання нетрадиційних джерел енергії в умовах територіального розміщення в Автономній республіці Крим" № ДР 0107U000772; "Дослідити особливості процесів перетворювання сонячної енергії в сонячних колекторах і фотобатареях з інтенсифікацією процесів енергообміну та розробити практичні рекомендації щодо удосконалення їх схем та конструкцій з метою підвищення енергоефективності" № ДР 0104U003593; "Розробити та дослідити схеми комплексного використання відновлюваних і нетрадиційних джерел енергії різних видів, розробити методики раціонального вибору структури, параметрів і режимів функціонування та науково обґрунтувати практичні рекомендації щодо підвищення їх енергоефективності" № ДР 0104U003591; "Розробити наукові основи теорії процесів перетворювання енергії відновлюваних та нетрадиційних джерел різних видів та підвищення енергоефективності комплексних систем електро- і теплопостачання на їх основі" № ДР 0107U001066; "Розробити системний метод дослідження динаміки взаємопов'язаних електродинамічних, теплових, гідродинамічних та механічних нелінійних процесів перетворювання енергії відновлюваних та нетрадиційних джерел на основі принципів синергетики" № ДР 0107U001065.

У перерахованих науково-дослідних роботах автором обґрунтовано задачі дослідження та розроблено науково-прикладні засади підвищення енергоефективності систем фотоелектричного електроживлення.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка науково-технічних засад підвищення енергоефективності фотоелектричних систем електроживлення на принципах створення спеціалізованих та багатофункціональних напівпровідникових систем вторинного електроживлення з урахуванням особливостей динаміки перетворювання енергії сонячного випромінювання в електричну енергію в фотоперетворювачах та фотобатареях, а також електродинамічних процесів в характерних видах навантаження.

Поставлена мета вимагає вирішення наступних наукових задач:

-дослідження нестаціонарних електротеплових процесів в струмових каналах фотоелектричних перетворювачів різної геометричної форми в напрямку аналізу можливості формування просторово-неоднорідних структур розподілу напруженості електричного поля, густини струму та температури;

-розробку узагальненої теорії стійкості системи паралельно-послідовних зв'язаних фотоперетворювачів та стійкості системи "фотобатарея - різні види навантаження";

-визначення умов електродинамічної та енергетичної узгодженості параметрів фотоелектричних джерел живлення з різними видами навантаження, при яких забезпечується ефективне трансформування енергії фотобатарей в навантаження із забезпеченням якості електричної енергії при наявності високочастотних флуктуацій напруги джерела;

-розробку засобу перетворювання енергії постійного струму фотобатарей в енергію змінного синусоїдального струму промислової частоти вторинних джерел живлення і його наукове обґрунтування в напрямку мінімальних відхилень від синусоїди;

-розробку принципів побудови напівпровідникових перетворювачів вторинного живлення для фотобатарей спеціалізованого та багатофункціонального призначення на базі нових технічних рішень.

Об'єктом дослідження є системи фотоелектричного електроживлення навантажень постійного та змінного струму.

Предметом дослідження є процеси перетворювання енергії сонячного випромінювання в електричну енергію та методи і технічні засоби ефективного енергообміну між фотоелектричним джерелом електроживлення, вторинним напівпровідниковим джерелом, різними видами навантаження та мережею.

Методи дослідження. Досягнення поставленої в роботі мети було реалізовано використанням наступного:

-синергетичного підходу для аналізу стійкості розподілених процесів електротеплового стану струмових каналів фотоперетворювачів;

-теорії стійкості систем звичайних диференційних рівнянь, отриманих на основі законів Кірхгофа для систем "фотоелектричне джерело електроживлення - різні види навантаження", з урахуванням нелінійних факторів;

-чисельно-аналітичних методів апроксимації синусоїдальних функцій, що забезпечують мінімальні значення похибок апроксимації;

-модульного принципу формування структур напівпровідникових перетворювачів вторинних джерел живлення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

-вперше розроблено синергетичну теорію формування просторово-неоднорідних структур розподілу електричних полів, струмів та температур в струмових каналах напівпровідникових фотоперетворювачів, для яких є природним нелінійна залежність електричної провідності від напруженості електричного поля та температури, внаслідок розвитку нестійкостей. Це дало можливість дати принципово нове тлумачення ефекту генерування високочастотних флуктуацій напруги фотоперетворювачів, які нещодавно визначені експериментально, за рахунок автоколивальних процесів;

-вперше досліджено з точки зору розвитку нестійкостей системи паралельно-послідовно зв'язаних окремих фотоперетворювачів, що формують фотобатареї, які розширюють можливості реалізації автоколивальних процесів в фотобатареях з генерацією високочастотних флуктуацій напруги фотобатарей;

-розвинуто узагальнену теорію стійкості систем "фотобатарея - різні види навантаження", особливістю якої є декомпозиція загальної системи на підсистему джерела живлення та підсистему навантаження з окремим визначенням зв'язків між збуреннями напруг та струмів. Показано, що порядок характеристичних рівнянь для частоти збурень, структури коренів яких визначають умови нестійкості, суттєво залежить від деталізації опису навантаження, яка вимагає поряд з електродинамічними процесами в окремих випадках доповнювати їх тепловими та електромеханічними процесами;

-для окремих видів навантаження вперше виконано аналіз умов ефективної трансформації енергії постійного струму фотоелектричних джерел живлення в навантаження, на основі якого зроблено узагальнений висновок про необхідність включення між фотоелектричними джерелами електроживлення та навантаженням спеціалізованих, а в деяких випадках багатофункціональних вторинних джерел електроживлення, що забезпечують одночасне живлення споживачів електричною енергією як постійного, так і змінного струму зі стабілізацією напруги живлення;

-вперше запропоновано низку нових технічних рішень щодо окремих блоків напівпровідникових джерел вторинного електроживлення, які дозволяють створити нові модульні структури вторинних джерел електроживлення, конкретна структура яких визначається особливостями навантаження.

Практичне значення одержаних результатів.

1. В департаменті сонячної енергетики ВАТ "Квазар" (м. Київ) використані результати дисертації щодо:

- визначення та забезпечення умов оптимального відбору енергії фотобатарей в навантаження;

- нових схемотехнічних рішень структури вторинних напівпровідникових джерел живлення для фотобатарей та їх окремих функціональних елементів (стабілізаторів напруги, інверторів, випрямлювачів).

2. ПП "Аванте" (м. Київ):

- обґрунтування необхідності включення в загальну структуру систем комбінованого електроживлення напівпровідникових систем вторинного електроживлення;

- структурні схеми окремих вузлів вторинного електроживлення, методики розрахунку та вибору їх параметрів.

3. В Інституті відновлюваної енергетики НАН України (м. Київ):

- аналіз збурень та їх стійкості при паралельно-послідовному з'єднанні фотоперетворювачів та систем "фотобатарея - навантаження";

- обґрунтування системного підходу до вивчення енергетичних процесів в системі "фотобатарея - різні види навантаження";

- результати моделювання процесів струмоутворення в струмових каналах фотоперетворювачів.

4. В учбовому процесі кафедри "Нетрадиційні джерела енергії" Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (м. Сімферополь) та кафедри відновлюваних джерел енергії НТУУ "КПІ" (м. Київ) при навчанні студентів з дисциплін:

- "Використання сонячної енергії";

- "Автономні джерела електроживлення";

- "Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії";

- "Застосування сонячної енергії";

- "Фізика та техніка нетрадиційних джерел енергії".

Особистий внесок здобувача. Усі методи, висновки та науково-технічні рекомендації, що містяться у дисертації, належать особисто автору.

В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить: в [2, 7, 13] - формулювання критеріїв ефективного використання енергії фотоелектричних перетворювачів, викладення аналітичних виразів для умов оптимального відбору енергії фотобатарей в навантаження, їх аналіз та формулювання висновків; в [4-6, 9-11] - методологія аналізу стійкості в струмових каналах фотоперетворювачів та системах і фотобатареях з різними видами навантаження та формулювання основних наукових результатів та висновків; в [18] - науково-технічні пропозиції щодо створення пристроїв для перетворення енергії постійного струму фотоелектричних систем в змінний синусоїдальний струм; в [31] авторові належить принципова схема стабілізатора з вузлом захисту по струму; в [32] - функціональна схема генератора синусоїдальної напруги; в [34] - функціональна схема синхронізації генератора з мережею по частоті; в [35] - спосіб синхронізації генератора з мережею по частоті; в [56] - функціональна схема підсилювача потужності; в [60] - схемотехніка вузла квантування за часом; в [62] - принципова схема вузла захисту по перевищенню напруги; в [72] - функціональна схема вторинних джерел живлення для фотоелектричних модулів; в [75] - функціональна схема трифазного перетворювача.

Апробація результатів дисертації проводилася на наступних міжнародних науково-технічних конференціях: "Силова електроніка та енергоефективність" (м. Алушта, 2005, 2007 рр.); "Проблеми сучасної електротехніки" (м. Київ, 2004, 2006 рр.); "Відновлювана енергетика ХХІ століття" (АР Крим, смт. Миколаївка, 2005, 2006, 2007 рр.); наукових семінарах Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (м. Сімферополь, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.); науковому семінарі: "Процеси і системи перетворювання енергії сонячного випромінювання" секції "Процеси та системи перетворювання енергії відновлюваних та нетрадиційних джерел" Наукової ради НАН України з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики" (м. Київ, 2005, 2006, 2007 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 79 наукових працях, у тому числі: 22 статті у наукових фахових виданнях (з них одинадцять без співавторів), 4 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях, 53 патенти України (з них 44 - без співавторів).

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних першоджерел і додатку. Загальний обсяг роботи становить 298 сторінок, у тому числі 260 сторінок основного змісту, 104 рисунки, 3 таблиці, список використаних джерел із 99 найменувань та 1 додаток.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність виконаної роботи, сформульовано мету і основні задачі наукового дослідження, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію основних результатів дисертації, наведено відомості про їх апробацію та публікації.

У першому розділі для струмових каналів в фотоперетворювачах з пласкою (рис. 1) та круговою циліндричною (рис. 2) геометрією розглянуто особливості нестаціонарного розподілу напруженості електричного поля, густини струму та температури з формуванням просторово-неоднорідних структур внаслідок розвитку електротеплової нестійкості.

В якості базової моделі використана модель електротеплового стану у вигляді системи рівнянь теплової провідності та електродинаміки

(1)

(2)

де - температура середовища в струмовому каналі; - густина струму і напруженість електричного поля; - функція густини тепловиділення, яка включає як омічне тепловиділення , так і джерела неелектричного походження; - теплофізичні та електрофізичні характеристики (відповідно густина, теплоємність, теплопровідність, електропровідність, діелектрична проникність).

Згідно синергетичного методу аналізу рішення системи (1), (2) розглядається у вигляді незбуреного стану і малих збурень

(3)

де індексом "а" позначено амплітуди збурень, - частота збурень; - хвильовий вектор збурень, що характеризує просторову структуру збурень, яка задається; - радіус-вектор; = -1.

Після розкладання нелінійних функцій в (1), (2) в ряд Тейлора і підстановки (3) в (1), (2) можна отримати рівняння, що зв'язують швидкості зміни збурень в часі зі збуреннями, а далі отримати дисперсійне рівняння для частоти збурень і аналітичні вирази для .

Так, наприклад, для часткового випадку зв'язок між і визначається системою рівнянь

(4)

з якої випливає наступний вираз для частоти збурень

.(5)

З (5) можливо зробити висновок про те, що в даному випадку , а розвиток нестійкості при з експоненціальною зміною збурень в часі може бути реалізований як при , так і при в залежності від орієнтації векторів і .

В більш загальному випадку при система рівнянь для швидкості зміни збурень набуває вигляд

, (6)

З (6) видно, що матриця не має властивості симетрії коефіцієнтів, що визначають структуру коефіцієнтів дисперсійного рівняння для

, ,

(7)

і в загальному випадку корені є комплексними з ненульовими значеннями . Це означає, що зміна збурень в часі може при мати експоненціально-синусоїдальний характер з тенденцією переходу до автоколивань при .

Аналогічним шляхом було проаналізовано можливість формування просторово неоднорідних структур в циліндричних струмових каналах з круговою симетрією, які формуються при електричному або електротепловому пробої. В цьому випадку внаслідок наявності диференціальних операторів непарного порядку по радіальній координаті характерною є така ситуація, коли коефіцієнти дисперсійного рівняння є комплексними, що розширює можливість реалізації автоколивань параметрів при розвитку нестійкості.

Так, наприклад, в найпростішому випадку напрямку незбуреного струму вздовж осі циліндричного струмового каналу для збурень типу радіальних в напрямку шарів, величина частоти збурень визначається формулою

, , . (8)

Зазначено, що ця формула одержана при . При залежності теплової провідності від координат або температури вірогідність наявності ненульових значень ще більше зростає.

В даному розділі також проаналізовані особливості формування просторово-неоднорідних структур в струмових каналах фотоперетворювачів при розвитку нестійкості для одного квазілінійного рівняння теплової провідності

(9)

і двох нелінійно пов'язаних рівнянь типу теплової провідності

,,(10)

з урахуванням просторової дисперсії амплітуди збурень ) або хвильового вектора збурень ).

Встановлено, що і в цих випадках дисперсійне рівняння для збурень має комплексні коефіцієнти, але причина цього полягає у наявності диференційних операторів за просторовими координатами при диференціюванні саме збурень.

Таким чином, в даному розділі наведено нове тлумачення явищ пробою напівпровідникових фотоперетворювачів та генерації високочастотних флуктуацій електричних характеристик, які необхідно урахувати як при моделюванні фотобатарей, так і їх практичному функціонуванні в тій чи іншій системі.

Другий розділ дисертації присвячено дослідженню динамічних процесів у системі "фотобатарея - навантаження" з точки зору можливостей розвитку системної нестійкості.

Загалом динамічні процеси, які відбуваються в системі "фотобатарея - навантаження", і які мають прикладне значення, можна поділити на три види, а саме:

1. Перехідні процеси при підключенні або відключенні до фотобатарей навантаження.

2. Нестаціонарні процеси коливального типу, які обумовлені флуктуаційними процесами в джерелах живлення або навантаженні.

3. Динамічні процеси в системі "фотобатарея - навантаження", які мають місце при розвитку нестійкості.

Оскільки перші два види процесів були досліджені раніше, то в даному розділі основна увага була приділена аналізу стійкості по відношенню до малих збурень в лінійному наближенні.

Для двох паралельно з'єднаних фотоперетворювачів система рівнянь Кірхгофа має вигляд

, , ,

, , ,(11)

, , , ,

де та - відповідно ємнісні напруги та струми фотоперетворювачів та - індукційні напруги і струми з'єднуючих елементів - напруга на навантаженні і струм через навантаження з узгодженим навантаженням .

Залежності омічних струмів через фотоперетворювачі з внутрішнім опором і ЕРС , , рівними напрузі холостого ходу, апроксимуються дрібно-лінійними функціями

 (12)

де , - відповідно струми короткого замикання, а - константи апроксимації.

Застосування до системи (11) аналізу зв'язків малих збурень змінних , пропорційних , де t - час, а - частота збурень, призводить до наступної системи рівнянь:

,

(13)

де індексом "0" в позначено параметри деякого початкового чи проміжного стану; в перший індекс вказує на номер фотоперетворювача, а другий - на порядок полінома .

З (13) виключаючи отримуємо зв'язок між збуреннями напруги на навантаженні і струму навантаження з боку джерела

(14)

,

де - поліном 4-го порядку по , в - поліном третього порядку по .

Та ж схема застосована для послідовного з'єднання окремих фотоперетворювачів та фотобатарей, однак у обох випадках необхідно для отримання характеристичного рівняння для до рівняння (14) додати рівняння зв'язку між збуренням напруги на навантаженні і струмом навантаження , яке теж можна представити у вигляді часткового двох поліномів порядку

(15)

електротепловий струм енергія фотобатарея

За такою схемою були розглянуті системи:

1) "фотобатарея - активно-реактивне навантаження";

2) "фотобатарея - температурно-залежне навантаження";

3) "фотобатарея - двигун постійного струму" з різними схемами збудження.

У третьому розділі розглянуто питання енергетичної та техніко-економічної ефективності систем "фотобатарея - навантаження" при прямому з'єднанні джерела електроживлення з навантаженням. Необхідність дослідження цього питання обумовлена тим, що в даний час підключення фотобатарей до навантаження здійснюється через вторинні джерела живлення, основними елементами яких є напівпровідникові інвертори в комплексі з електрохімічними акумуляторами, що дозволяє забезпечити надійність електроживлення. Але в той же самий час значно збільшується вартість встановленого кіловата потужності джерела живлення, що для наземних систем фотоелектричного електроживлення в багатьох випадках має визначальний характер. Тому в деяких випадках можливим і економічно доцільним є пряме з'єднання фотоелектричного джерела живлення, що з одного боку зменшує вартість системи живлення, а з іншого боку викликає необхідність дослідження процесу енергообміну між джерелом живлення та навантаженням з урахуванням нестійкості джерела живлення та флуктуацій його напруги.

Еквівалентну схему системи "фотобатарея - активне навантаження" наведено на рис. 5, а ВАХ фотобатареї - на рис. 6.

Тут точка М представляє перетин діагоналі прямокутника з ідеалізованою ВАХ фотобатареї, коли , а точка N - перетин діагоналі ОА з реальною ВАХ фотобатареї , яка приблизно відповідає максимуму потужності фотобатареї, що віддає енергію в активне навантаження.

Для випадку, коли електрична енергія фотобатареї віддається, наприклад, в активне навантаження і використовується для нагрівання активного опору , параметри енергоефективності визначаються максимумом активної потужності навантаження

.(16)

Аналіз функції на екстремум при показує, що максимум потужності в навантажені, що дорівнює , реалізується при виконанні умови . При нелінійній ВАХ фотобатареї умова екстремуму приблизно виконується при , де - значення внутрішнього опору в точці N ВАХ фотобатареї.

Для електромеханічних навантажень, які також можна представити деяким еквівалентним опором, і які розглянуто на прикладі двигунів постійного струму (ДПС) (рис.7), задача енергоефективного енергообміну між фотобатареєю та ДПС залежить від вибору тих змінних, максимум яких необхідно забезпечити.

В результаті аналізу варіантів з реалізацією максимуму механічної потужності на валу ДПС, максимуму механічного моменту на валу ДПС, що в рівноважному стані дорівнює електромагнітному моменту ДПС , та варіанту ДПС з реалізацією максимуму числа обертів ДПС N встановлено, що умови енергоефективного енергообміну між фотоелектричним джерелом живлення та навантаженням можуть бути реалізовані:

1. Вибором різних схем (рис.7) і параметрів систем збудження;

2. Регулюванням ВАХ фотобатареї шляхом зміни схем з'єднання окремих модулів фотобатарей;

3. Застосуванням спеціалізованих напівпровідникових перетворювачів між джерелом живлення та навантаженням, а також використанням допоміжних електрохімічних джерел живлення.

Важливим фактором, що визначає енергоефективність передачі енергії фотобатареї в навантаження, є якість електричної енергії, що розсіюється в джерелі електроживлення, і виконує корисну роботу в навантаженні. Відомо, що основним параметром, що визначає якість електричної енергії в системі "джерело живлення - навантаження, які з'єднані двопровідною лінією", є наявність вищих гармонічних складових напруги та струму в елементах системи. Як було показано в розділах 1, 2, їх наявність може бути обумовлена як нелінійними властивостями процесів струмоутворення в фотоелектричних джерелах живлення, так і нелінійними системними процесами, обумовленими нелінійною характеристикою навантаження.

Виходячи з вищезгаданого, була розглянута модель двопровідної обмеженої з'єднувальної лінії з розподіленими параметрами, що описується наступною системою рівнянь з граничними умовами

, , (17)

, , (18)

де - розподіл напруг і струмів по довжині лінії - відомі електричні параметри лінії; - флуктуаційні складові напруги відповідно з боку фотобатареї та навантаження.

Аналіз аналітичних рішень системи (17), (18), отриманих методом комплексних амплітуд, свідчить про те, що швидкість поглинання вищих гармонійних складових зі збільшенням відстані від джерела їх виникнення зростає зі збільшенням .

Для коротких ліній може бути реалізований вплив вищих гармонійних складових джерела електроживлення та навантаження. В цьому випадку запропоновано застосування фільтрів вищих гармонійних складових в місцях, як це випливає з рішень системи (17), (18) їх виникнення, тобто поблизу джерел живлення або навантаження.

В даному розділі також наведено методику розрахунку техніко-економічної ефективності фотоелектричного електроживлення, основним висновком якої є формування положення про те, що для створення енероефективних фотоелектричних систем електроживлення з високим рівнем якості електричної енергії, є актуальною розробка і створення спеціалізованих і багатофункціональних систем вторинного електроживлення на базі сучасних досягнень напівпровідникової перетворювальної техніки.

У четвертому розділі дисертації розвинуто методи аналізу квазісинусоїдальних напруг і струмів, що задані дискретно, які необхідні для створення алгоритмів формування вихідних характеристик систем перетворення енергії постійного струму в синусоїдальну змінну напругу або струм, основу яких складають інвертори з різними типами модуляції.

Метою аналізу є отримання неперервної функції , що апроксимує дискретну функцію зазначеної задачі в дискретні значення часу . При цьому аналітична функція розглядається як лінійна суперпозиція базисних функцій

, (19)

де - коефіцієнти чисельного ряду.

Визначення коефіцієнтів при вибраних базисних функціях здійснюється методом колокацій або найменших квадратів і дозволяє при обмежених значеннях n отримати аналітичні вирази для .

Якщо функція, що апроксимується, є періодичною з періодом Т, то на проміжку вона може бути апроксимована рядом Фур'є

,(20)

коефіцієнти якого визначаються за методом найменших квадратів з використанням властивості ортогональності синусоїдальних функцій на системі точок і визначенням похибки наближення, яка залежить як від кількості компонентів ряду Фур'є, так і від кількості точок задання функції, що апроксимується, в часі .

Аналогічного ряду аналітична процедура була розроблена при нерівномірному дробленні проміжку на елементи і чисельно реалізована на мові Turbo Pascal для розрахунку коефіцієнтів апроксимації та похибки апроксимації.

На основі теоретичного аналізу гармонійних складових квазісинусоїдальних напруг і струмів запропоновано і обґрунтовано нові засоби та пристрої енергоживлення активних реактивних та електромеханічних навантажень (люмінесцентних ламп, електролізерів та електродвигунів) за рахунок ефективного використання енергії вторинних гармонік.

У дисертації розроблено ряд пристроїв для перетворення постійного струму фотобатарей у змінний синусоїдальний струм з частотою 50 Гц і підключення його в електричну мережу, які включають: джерело стабілізованої напруги, перетворювач постійного струму в змінний синусоїдальний струм напруги 220 В і частотою 50 Гц, а також блок синхронізації частоти синусоїдальної напруги з частотою мережі.

Пристрій, що реалізовує запропонований спосіб, функціонує таким чином. Постійна напруга від нетрадиційного джерела - сонячної фотоенергетичної установки (СФЕУ) подається на вхід імпульсного стабілізатора напруги (ІСН), який забезпечує роботу перетворювача постійної напруги в змінну (ППНЗ) стабільною біполярною напругою постійного струму, яка необхідна для роботи ППНЗ, що перетворює біполярну напругу від ІСН в змінну синусоїдальну напругу 220 В і частотою 50 Гц. Блок синхронізації забезпечує підключення виходу перетворювача напруги в мережу при рівності частот перетворювача напруги і напруги мережі з точністю ± 0,1 Гц.

П'ятий розділ дисертації присвячено розробці принципів побудови нових структур імпульсних стабілізаторів напруги, які є однією з основних частин систем вторинного електроживлення. Співставляючий аналіз переваг і недоліків неперервних та імпульсних стабілізаторів напруги показав, що для вторинних джерел живлення для фотоелектричних джерел більш перспективними є імпульсні стабілізатори (рис. 9), де - регулюючий елемент; - опір навантаження; - вимірюючий елемент; - система управління; - дросель, ємність і діод, які в комплексі формують згладжуючий фільтр.

В дисертації розглянуто структури з інвертуючим імпульсним стабілізатором з одноконтактним та двоконтактними перетворювачами і структури імпульсного стабілізатора з підсилювачем потужності, а також запропоновано низку нових структур, які захищені патентами України і відрізняються від відомих новими структурами систем управління, пристроями захисту по вихідному струму тощо.

Аналіз силових кіл імпульсних стабілізаторів напруги, виконаний на основі аналітичного розв'язку систем рівнянь Кірхгофа з використанням стандартних припущень щодо нехтування комутаційними процесами на діодах і транзисторах, показав перспективність застосування нових структур імпульсних стабілізаторів напруги завдяки високому рівню стабілізації вихідної напруги.

В шостому розділі дисертації розглянуто структури генераторів синусоїдальної напруги (рис. 11). Розроблені також модифікації даної структури, які орієнтовані на застосування в системах, що синхронізовані з мережею. В даному розділі наведені також нові структури інверторів квазісинусоїдальної напруги (рис. 12), що захищені авторськими свідоцтвами та патентами, та структури окремих блоків.

Для усіх блоків перетворювачів розроблено структурні схеми, які в комплексі дають можливість здійснити генерування електричної енергії в мережу з промисловою частотою 50 Гц з високою якістю електричної енергії при функціонуванні перетворювача на частотах 1,5ч2 кГц.

Сьомий розділ дисертації присвячено розробці структурних схем систем синхронізації вторинних джерел живлення фотоелектричних джерел з промисловою мережею, які повинні забезпечити співвідношення напруги, частоти і фази перетворювача з відповідними параметрами мережі.

Для усіх блоків системи синхронізації розроблені структурні схеми, а також запроваджені нові схематичні рішення щодо пристроїв контролю амплітуди, частоти і фази вихідної напруги перетворювача, захисту по вхідному струму і вихідній напрузі.

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язано науково-прикладну проблему підвищення енергоефективності фотоелектричних систем електроживлення на базі дослідження особливостей струмоутворення в фотоелектричних перетворювачах з урахуванням нелінійних ефектів і застосуванням синергетичного аналізу стійкості, розробки методів аналізу стійкості системи "фотобатарея - різні види навантаження", дослідження умов електродинамічно та енергетично узгоджених параметрів джерела живлення та навантаження, розробки принципів побудови та створення нових технічних рішень для напівпровідникових джерел живлення між джерелом та навантаженням, а також їх окремих елементів. При цьому одержано наступні основні результати:

1. На основі синергетичного підходу щодо формування просторово-неоднорідних структур в процесах нелінійного переносу, що описуються рівняннями в часткових похідних, розглянуто особливості нестаціонарного розподілу напруженості електричного поля, густини струму та температури з формуванням просторово-неоднорідних структур внаслідок розвитку електричної та електротеплової нестійкості для струмових каналів плоскої та циліндричної форми в напівпровідникових фотоперетворювачах. Встановлено, що порядок дисперсійного рівняння для частоти збурень щ, який визначає кількість його коренів, залежить від кількості часткових похідних у часі та значень компонент матриці В, що зв'язує вектор швидкості збурень у часі із вектором збурень. Показано, що частота збурень щ в загальному випадку є комплексною величиною незалежно від просторової структури збурень, причому розвиток нестійкості має місце при щr>0, а наявність автоколивальних режимів можлива лише при щi?0.

2. Виконано аналіз умов, при яких реалізуються режими з розвитком електричної або електротеплової нестійкості при щr>0, що може привести до електричного або електротеплового пробою фотоперетворювачів з формуванням неоднорідної структури у вигляді шнурів в напрямку протікання струму з експоненціальним (при щi=0) або експоненціально-синусоїдальним (при щi?0) характером зміни основних електричних характеристик напівпровідникових фотоперетворювачів. Розглянуто також умови автоколивальних режимів зміни параметрів фотоперетворювачів у часі (при щi?0), основною причиною яких є наявність диференціальних операторів непарного порядку у вихідній моделі задачі, що приводить до комплексності коефіцієнтів в матриці В. Фізичними причинами цього ефекту, який інтегрально проявляється у вигляді високочастотних флуктуацій напруги на окремих фотоперетворювачах та фотобатареях в цілому, є наступні: а) нелінійність або неоднорідність фізичних характеристик переносу; б) геометрія (наприклад, циліндрична) струмових каналів; в) наявність збурень з просторовою дисперсією (залежністю від координат) амплітуди та (або) хвильового вектору збурень.

3. Розроблено узагальнений метод дослідження стійкості системи "фотобатарея - різні види навантаження", особливістю якого є окреме визначення зв'язків між збуреннями напруги та струму джерела і збуреннями напруги та струму навантаження. Це дозволяє при необхідності включити до дослідження при розгляді нестійкості системи вплив проміжних елементів та пристроїв (наприклад, з'єднуючих ліній), представляючи їх у вигляді чотирьохполюсників.

4. Визначено зв'язки між збуреннями напруги та струму фотобатарей при різних видах апроксимації вольт-амперної характеристики фотобатарей, а також окремих груп паралельно і послідовно з'єднаних між собою фотоперетворювачів, що формують фотобатарею і визначають умови стійкості джерела живлення як окремої підсистеми. Виконаний на прикладі різних видів нелінійного навантаження (температурно-залежне навантаження, двигун постійного струму) аналіз умов системної стійкості, з якого випливає висновок про необхідність розширення вихідної електродинамічної моделі рівняннями теплового та електромеханічного стану, внаслідок чого підвищується порядок характеристичного рівняння для частоти збурень щ та кількості його коренів, структура яких визначає умови та тип нестійкостей.

5. Розглянуто умови узгодження електричних параметрів фотобатарей з параметрами навантаження для забезпечення максимальних значень енергетичних характеристик фотобатарей, які визначають енергоефективність трансформування енергії від фотобатарей до навантаження. Показано, що неузгодженість параметрів фотобатареї та навантаження може значно зменшити номінальний коефіцієнт корисної дії фотобатарей і таким чином зменшити техніко-економічні показники використання фотобатарей. Особливе значення це має тоді, коли навантаження має змінний в часі характер, наприклад, для електромеханічних навантажень, коли необхідно не тільки стабілізувати напругу на фотобатареї, але і змінювати її узгоджено зі зміною ефективного опору навантаження.

6. Проведено аналіз впливу флуктуаційної складової напруги фотобатарей на флуктуаційні характеристики навантаження, які в багатьох випадках визначають старіння матеріалів елементів обладнання, наприклад електричної ізоляції. При цьому зв'язок між джерелом живлення та навантаженням представлено у вигляді двопровідної лінії з розподіленими параметрами, що дозволяє визначити ступінь затухання високочастотних гармонічних складових по лінії зв'язку між джерелом живлення та навантаженням і обґрунтовано зробити рекомендації щодо місць установки фільтрів вищих гармонійних складових.

7. Розроблено засоби перетворювання енергії постійного струму фотобатарей в енергію змінного синусоїдального струму промислової частоти 50 Гц, особливістю якого є можливість підключення вторинного напівпровідникового джерела живлення до зовнішньої енергосистеми, а також локальних автономних споживачів змінного та постійного струму, що забезпечується використанням якісної перетворюваної енергії для власних потреб перетворювача.

8. Для реалізації процесів в напівпровідникових фотоперетворювачах, що забезпечують синусоїдальну форму сигналу на виході із заданою похибкою, розвинути чисельно-аналітичні методи наближення гармонічних функцій заданих дискретно, що основані на методах Фур'є, колокацій, найменших квадратів та невизначених коефіцієнтів, для яких розроблено алгоритми, придатні для чисельної реалізації з похибкою < 0,02 % для першої гармоніки.

9. Розроблено і теоретично обґрунтовано принципи побудови напівпровідникових фотоперетворювачів вторинного живлення для фотобатарей, які включають такі основні структурно-формуючі елементи: імпульсні стабілізатори напруги з широтно-імпульсною модуляцією, послідовно включені дроселі, генератори синусоїдальної напруги, пристрої захисту від перевантажень, пристрої синхронізації по напрузі і фазі з мережею, випрямлювачі.

Для усіх елементів систем запропоновано нові оригінальні технічні рішення, які захищено 53 патентами України.

10. Результати по фізиці процесів перетворення енергії в системах електроживлення з фотобатареями і технічні рішення по структурі джерел вторинного електроживлення рекомендується використовувати в Інституті відновлюваної енергетики НАН України (м. Київ), ВАТ "Квазар" (м. Київ), ПП "Аванте" (м. Київ), ВАТ "Фіолент" (м. Сімферополь) і на кафедрах вузів при навчанні студентів по дисциплінах, пов'язаних з використанням сонячної енергії.

Основні публікації за темою дисертації

1. Бекиров Э.А. Динамические свойства длинных линий, соединяющих фотобатареи с нагрузкой // Відновлювана енергетика. - 2007. - №2 (9). - С. 38-40.

2. Бекиров Э.А., Резцов В.Ф., Суржик Т.В., Шевчук В.И. Некоторые условия оптимального отбора энергии фотобатарей и электрохимических аккумуляторов в нагрузку // Відновлювана енергетика. - 2007. - №1 (8). - С. 20-23.

3. Бекиров Э.А. Анализ выходных параметров батареи солнечных преобразователей, совмещенных с нагрузкой // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Силова електроніка та енергоефективність". - 2007. - Ч. 4. - С. 55-57.

4. Бекиров Э.А., Резцов В.Ф., Суржик А.Н. Особенности формирования пространственно-неоднородных структур в процессах нелинейного тепломассопереноса при пространственной дисперсии возмущений // Відновлювана енергетика. - 2006. - №4 (7). - С. 48-51.

5. Бекиров Э.А., Коломиец А.Д., Резцов В.Ф. Особенности формирования пространственно-неоднородных структур в цилиндрических каналах пробоя с круговой симметрией // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". - 2006. - Ч. 2. - С. 13-15.

6. Бекиров Э.А., Резцов В.Ф., Суржик Т.В. Возможные формы пространственного распределения температуры и тока в плоских токовых каналах фотопреобразователей // Відновлювана енергетика. - 2006. - №3. - С. 39-41.

7. Бекиров Э.А., Сопов И.В., Межитов Р.Э. Об эффективности использования фотоэлектрических преобразователей для автономного электроснабжения зданий // Відновлювана енергетика. - 2006. - №2. - С. 33-36.

8. Бекиров Э.А. Принципы преобразования энергии постоянного тока фотоэлектрических преобразователей в переменный синусоидальный ток // Відновлювана енергетика. - 2006. - №1. - С. 33-39.

9. Бекиров Э.А., Резцов В.Ф. Возмущения и устойчивость распределения тока и напряжения в параллельно-последовательно связанных фотопреобразователях // Доповіді НАН України. - 2006. - №3. - С. 78-82.