Бєкіров Ескендер Алімович. Науково-технічні засади підвищення енергоефективності фотоелектричних джерел електропостачання : Дис... д-ра наук: 05.14.08 - 2008.
Анотація до роботи:
Бекіров Є.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.
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 , який визначає кількість його коренів, залежить від кількості часткових похідних у часі та значень компонент матриці , що зв’язує вектор швидкості збурень у часі із вектором збурень. Показано, що частота збурень в загальному випадку є комплексною величиною незалежно від просторової структури збурень, причому розвиток нестійкості має місце при r>0, а наявність автоколивальних режимів можлива лише при i0.
2. Виконано аналіз умов, при яких реалізуються режими з розвитком електричної або електротеплової нестійкості при r>0, що може привести до електричного або електротеплового пробою фотоперетворювачів з формуванням неоднорідної структури у вигляді шнурів в напрямку протікання струму з експоненціальним (при i=0) або експоненціально-синусоїдальним (при i0) характером зміни основних електричних характеристик напівпровідникових фотоперетворювачів. Розглянуто також умови автоколивальних режимів зміни параметрів фотоперетворювачів у часі (при i0), основною причиною яких є наявність диференціальних операторів непарного порядку у вихідній моделі задачі, що приводить до комплексності коефіцієнтів в матриці . 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 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.
Публікації автора:
Бекиров Э.А. Динамические свойства длинных линий, соединяющих фотобатареи с нагрузкой // Відновлювана енергетика. – 2007. – № 2 (9). – С. 38-40.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Бекиров Э.А. Принципы преобразования энергии постоянного тока фотоэлектрических преобразователей в переменный синусоидальный ток // Відновлювана енергетика. – 2006. – № 1. – С. 33-39.
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.
Бекиров Э.А., Резцов В.Ф., Суржик Т.В. Пространственно-неоднородные структуры при электротепловом пробое полупроводниковых материалов // Техн. електродинаміка. Тем. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2006. – Ч. 3. – С. 21-24.
Бекиров Э.А., Резцов В.Ф. Возмущения параметров двигателей постоянного тока и их моделирование RLC цепями // Праці Інституту електродинаміки НАН України. – 2006. – № 1 (13). – С. 64-70.
Бекиров Э.А. Анализ флуктуаций, заданных дискретно, и численная реализация этих функций преобразованием напряжения фотоэлектрических модулей в переменное напряжение с оценкой ошибки приближения гармонической интерполяции // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов Национальной академии природоохранного и курортного строительства. – 2006. – Вып. 17. – С. 116-119.
Сопов И.В., Бекиров Э.А., Меджитов Р.Э К вопросу об эффективности фотоэлектрических преобразователей для автономного электроснабжения зданий // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов Национальной академии природоохранного и курортного строительства. – 2006. – Вып. 13-14. – С. 151-156.
Бекиров Э.А. Анализ квазисинусоидального напряжения преобразовательных устройств, подключенных к фотоэлектрическим преобразователям // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов Национальной академии природоохранного и курортного строительства. – 2006. – Вып. 13-14. – С. 121-127.
Бекиров Э.А. Неустойчивости в системе «фотобатарея – температурозависимая нагрузка» // Відновлювана енергетика. – 2005. – № 3-4. – С. 13-16.
Бекиров Э.А. Нелинейные колебания в системе «фотобатарея – активно-реактивная нагрузка» // Відновлювана енергетика. – 2005. – № 2. – С. 26-30.
Бекиров Э.А. Разработка метода и устройства преобразования напряжения постоянного тока фотоэлектрических преобразователей в трехфазное синусоидальное напряжение // Техн. електродинаміка. Тем. вип. “Силова електроніка та енергоефективність”. – 2005. – № 4. – С. 119-122.
Бекиров Э.А., Воскресенская С.Н. Анализ роста использования фотоэлектрических модулей и предложение по устройству преобразования постоянного тока в переменный // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов Национальной академии природоохранного и курортного строительства. – 2005. – Вып. 10. – С. 179-184.
Бекиров Э.А. Устройства преобразования энергии постоянного тока // Техн. електродинаміка. Тем. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2004. – Ч. 2. – С. 119-124.
Бекиров Э.А. Потоки электрической энергии в системах электроснабжения // Техн. електродинаміка. Тем. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2004. – Ч. 3. – С. 37-40.
Бекиров Э.А. Методы построения преобразователей энергии постоянного тока нетрадиционных источников в электрическую энергию переменного тока промышленной частоты с подключением в энергосистему // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов Национальной академии природоохранного и курортного строительства. – 2003. – Вып. 8. – С. 155-160.
Бекиров Э.А., Козлов О.М., Сокут Л.Д., Бонев Д.Б. Установки многофункциональных компьютеризированных источников электроснабжения для учебных и научных целей // Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов Национальной академии природоохранного и курортного строительства. – 2003. – Вып. 8. – С. 171-177.
Пат. 54784 А Україна, 7 НО2J3/00. Спосіб перетворення вторинного потоку енергії вищих гармонік і пристрій для його здійснення / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2002042851; Заявл. 09.04.02; Опубл. 17.03.03, Бюл. № 3. – 8 с.
Пат. 54783 А Україна, 7 НО2J3/00. Спосіб перетворення вторинного потоку енергії вищих гармонік і пристрій для його здійснення / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2002042850; Заявл. 09.04.02; Опубл. 17.03.03, Бюл. № 3. – 8 с.
Пат. 48619 А Україна, 7 GО1R21/00. Пристрій для виміру вторинного потоку енергії вищих гармонік / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2001107271; Заявл. 25.10.01; Опубл. 15.08.02, Бюл. № 8. – 8 с.
Пат. 48620 А Україна, 7 GО1R21/00. Пристрій для виміру енергії основного потоку і вторинного потоку енергії вищих гармонік / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2001107272; Заявл. 25.10.01; Опубл. 15.08.02, Бюл. № 8. – 12 с.
Пат. 49683 А Україна, 7 НО2J3/00. Спосіб живлення люмінесцентних ламп споживача вторинним потоком енергії вищих гармонік і пристрій для його здійснення / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2002021142; Заявл. 12.02.02; Опубл. 16.09.02, Бюл. № 9. – 6 с.
Пат. 49681 А Україна, 7 НО2J3/00. Пристрій для живлення навантажень власних потреб споживача вторинним потоком енергії вищих гармонік / Е.А. Бекіров № 2002021140; Заявл. 12.02.02; Опубл. 15.09.02, Бюл. № 9. – 8 с.
Пат. 49682 А Україна, 7 НО2J3/00 Спосіб живлення електродвигунів споживача вторинним потоком енергії вищих гармонік і пристрій для його здійснення / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2002021141; Заявл. 12.02.02; Опубл. 16.09.02, Бюл. № 9. – 6 с.
Пат. 49684 А Україна, 7 НО2J3/00. Спосіб живлення активних навантажень споживача вторинним потоком енергії вищих гармонік і пристрій для його здійснення / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2002021143; Заявл. 12.02.02; Опубл. 16.09.02, Бюл. № 9. – 6 с.
Пат. 62777 А Україна, 7 H02М7/5395. Пристрій струмового захисту – 2 / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003054557; Заявл. 20.05.03; Опубл. 15.12.03, Бюл. № 12. – 6 с.
Пат. 62778 А Україна, 7 GО5F1/569, H02M7/5395. Пристрій захисту стабілізатора напруги від перевищення струму і напруги / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003054558; Заявл. 20.05.03; Опубл. 15.12.03, Бюл. № 12. – 6 с.
Пат. 63726 А Україна, 7 GО5F1/569, H02M7/5395. Пристрій захисту джерел живлення від перевантажень, коротких замикань та перевищення вихідної напруги / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003065215; Заявл. 06.06.03; Опубл. 15.01.04, Бюл. № 1. – 6 с.
Пат. 63725 А Україна, 7 H02M7/5395. Пристрій захисту джерел живлення від перевантажень та коротких замикань / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003065214; Заявл. 06.06.03; Опубл. 15.01.04, Бюл. № 1. – 5 с.
Пат. 63389 А Україна, 7 H02M7/5395. Пристрій токового захисту / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003043221; Заявл. 10.04.03; Опубл. 15.01.04, Бюл. № 1. – 5 с.
Пат. 63546 А Україна, 7 GО1R25/00. Пристрій контролю фази / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003043945; Заявл. 29.04.03; Опубл. 15.01.04, Бюл. № 1. – 5 с.
Пат. 63727 А Україна, 7 GО5F1/56, H02M3/335, Н02М7/00. Пристрій керування імпульсним стабілізатором / Е.А. Бекіров (Україна). – № 2003065216; Заявл. 06.06.03; Опубл. 15.01.04, Бюл. № 1. – 12 с.
Бекиров Э.А., Резцов В.Ф. Динамические свойства двухпроводных длинных линий, соединяющих фотобатареи с нагрузкой // Праці VIII Міжнародної конференції «Відновлювана енергетика ХХІ століття» (17-21 вересня 2007 р.). – АР Крим, смт. Миколаївка: Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2007. – С. 94.
Бекиров Э.А., Сокут Л.Д. Анализ методик расчета установленной мощности источников и потребителей для автономных источников электропитания на основе возобновляемых источников энергии // Праці VІІ Міжнародної конференції «Відновлювана енергетика ХХІ століття» (11-15 вересня 2006 р.). – АР Крим, смт. Миколаївка: Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2006. – С. 44-49.
Бекиров Э.А. Методика анализа дискретных функций при преобразовании напряжения фотоэлектрических модулей в переменное напряжение синусоидальной формы // Праці VII Міжнародної конференції «Відновлювана енергетика ХХІ століття (11-15 вересня 2006 р.). – АР Крим, смт. Миколаївка: Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2006. – С. 116-118.
Бекиров Э.А. Колебания в системе фотобатарея – активно-реактивная нагрузка // Праці VI Міжнародної конференції «Відновлювана енергетика ХХІ століття» (19-23 вересня 2005 р.). – АР Крим, смт. Миколаївка: Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2005. – С. 75-76.
