ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ОЧИСТКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ОТ ПЫЛИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье сделан анализ по влиянию запыленности оптической поверхности фотоэлектрического модуля на ее параметры, также исследована устройство очистки. Пылевые загрязнения это один из факторов, снижающий коэффициент полезного действия модулей. Для очистки модулей от пыли разработано устройство с наличием опорного элемента решётчато-рамной конструкции, с чистящей кареткой в форме поперечной планки, изготовленной из профиля прямоугольной формы. Станина выполнена с наличием ложемента в виде подложки прямоугольной формы, в металлическом обрамлении, с некоторым углублением коротких сторон, на прямоугольных стойках, попарно разной высоты, с перекладинами между ними для сохранения устойчивости на поверхности. При этом, блок очистки при работе совершает возвратно-поступательные движения снизу-вверх вдоль оптической поверхности модуля, которая уложена на ложемент. Мехатронная система управления устройства очистки следит за параметрами работы, при необходимости может подать сигнал о завершении процесса. В итоге осуществляется автоматическая очистка модулей с минимальным участием человека.

ABSTRACT

This article analyzes the influence of dustiness of the optical surface of a photovoltaic module on its parameters, and also examines the cleaning device. Dust contamination is one of the factors that reduces the efficiency of modules. To clean modules from dust, a device has been developed with a supporting element of a lattice-frame design, with a cleaning carriage in the form of a crossbar made from a rectangular profile. The frame is made with a bed in the form of a rectangular base, in a metal frame, with some recessing of the short sides, on rectangular posts, in pairs of different heights, with crossbars between them to maintain stability on the surface. In this case, the cleaning unit, during operation, makes reciprocating movements from bottom to top along the optical surface of the module, which is placed on the support. The cleaning device's mechatronic control system monitors operating parameters and can signal completion of the process if necessary. This results in automatic cleaning of the modules with minimal human intervention.

Ключевые слова: фотоэлектрический модуль, оптическая поверхность, пыль, устройство очистки, электродвигатель, блок очистки, мехатронная часть.

Keywords: photovoltaic module, optical surface, dust, cleaning device, electric motor, cleaning unit, mechatronic part.

ВВЕДЕНИЕ. Внедрение автоматизированных устройств очистки (УО) фотоэлектрических модулей (ФЭМ), положительно влияет на эффективность, производительность и устойчивость работы фотоэлектрических станций (ФЭС). Пылевые загрязнения на оптической поверхности (ОП) ФЭМ – фактор, снижающий коэффициент полезного действия (КПД) модулей и самой же станции также затрудняет прогноз генерации «зеленой» электроэнергии (ЭЭ) [1]. Кроме того, прилипший пыль на ОП негативно сказывается на сроке службы ФБ. Поэтому для поддержания прежде всего эффективности, также работоспособности ФБ в течении длительного периода требуется разработать и применить специальное автоматическое чистящее устройство [2].

В [3] исследовано влияние пылевых загрязнений на выходную мощность (Р_ВЫХ) модулей, в частности, пыль на их поверхности снизил мощность примерно на 50 % [3].

 В [4] исследовано влияние пылевых загрязнений на ФЭС. Выявлено, что потеря из-за пыли равна около 35 % в год, а частицы пыли препятствуют ФЭМ получить энергию от солнца примерно на 20 %, что приведет к снижению тока короткого замыкания (I_КЗ), Р_ВЫХ и Ƞ [4].

В [5] также исследовано влияние пыли на параметры модулей ФЭС. В результате определено, что пыль массой 16 мг/м², привел к снижению I_КЗ ФЭМ, что подтверждает, напряжение холостого хода (U_Х.Х.) менее чувствителен к запылению ОП [5].

В исследовании [6] разработано устройство для очистки ОП ФЭМ, которое состоит из электронной части, электродвигателей (4), вентилятора, колес и датчика. Недостаток предлагаемого устройства – наличие вентилятора и 4-х ЭД, которые питаются от источника мощности. Кроме того, УО состоит из множества составных частей, что приводит к увеличению КВ.

 В научных исследованиях [7] для очистки ОП ФЭМ от загрязнений предлагалось использовать воздушные струи. Отмечалось, что данный метод одновременно позволяет не только очистить ФЭМ, но и охлаждать её за счёт увеличения теплообмена. Формирование струй воздуха – естественный процесс, на которую персонал напрямую не может воздействовать, что приведёт к увеличению времени очистки (t_{очистки}) ФЭМ. Также, значение скорости, при которой движется поток воздуха, не всегда может быть достаточным для отрывания всех частиц пыли от ОП ФЭМ. Кроме того, в летом Т_ОКР в регионах возрастает 40-55 °C, в результате образуется «горячий» обдув, который не охлаждает, а наоборот способствует повышению Т_ФЭМ и, как следствие, снижению I_КЗ, Р_ВЫХ и ƞ [7].

Таким образом, разработанные устройства имеют сложную конструкцию и состоять из множества составных частей, что приведёт к повышению КВ, увеличению t_{очистки}, и потери мощности [2, 8].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. Разработанное УО – конструктивно-компоновочное решение с наличием опорного элемента решётчато-рамной конструкции, с чистящей кареткой в форме поперечной планки, изготовленной из профиля прямоугольной формы. При этом, рама стационарен – станина выполнена с возможностью рассредоточения на нём собственно выбранная ФЭМ, планка оснащена поролоном изнутри, которая по сути является очищающим элементом ОП ФЭМ [8]. На рис.1 приведены чертежи разработанного УО.

а)                                                      б)

Рисунок 1. Чертежи УО: а -вид спереди; б-вид сбоку [2, 8]

Как видно из рис. 1, ФЭМ 1 снабжена системой очистки, которая состоит из таких частей как электрический двигатель 2, чистящая часть (ЧЧ) 4, трос 5, блок вращения 6, насадка 7, цилиндрические направляющие 8, очистительная губка 9, резервуар воды 10, насос 11, шланг воды 12, мехатронная система 13, кнопки переключения направления 15 [2, 8]. Станина выполнена с наличием ложемента в виде подложки прямоугольной формы, в металлическом обрамлении, с некоторым углублением коротких сторон, на прямоугольных стойках, попарно разной высоты, с перекладинами между ними для сохранения устойчивости на поверхности. При этом, чистящая часть 4 при работе совершает возвратно-поступательные движения снизу-вверх вдоль ОП ФЭМ, которая уложена на ложемент. Мехатронная система 13 построена на основе платы Arduino Uno и обеспечивает автономную работу УО. Контроллер управляет ЭД и насосом согласно заданному алгоритму очистки. На раме установлены кнопки переключения 15, которые меняют направление движения чистящей части 4 при достижении её краёв ФЭМ 1, тем самым препятствуют выходу за границы. Электронные компоненты мехатронной системы 13 (реле, провода и т.д.) размещены в герметичном щите, обеспечивая работоспособность под снегом, дождём, запылении и т.д. Диапазон рабочих Т_ОКР системы –20 до +85 °C, что позволяет эксплуатации в климатических условиях Узбекистана. В таблице 1 приведены технические параметры УО.

Таблица 1.

Технические параметры УО

 Таким образом, технические характеристики УО удовлетворяют требованиям надёжности также эффективности: она не габаритная, т.е. лёгкая, экономичная и долговечная (около 10 лет). На рис.2 приведена принципиальная схема мехатронной системы [9]. Из рис.2, что принципиальная схема состоит из платы ARDUINO UNO, трёх канального модуля реле, контроллера заряда (К), блока питания (БП), водяного насоса (ВН), мотора (М), низковольтного выключателя (ВКЛ), реле РС 711, универсальных 5-ти контактных реле (УПР1, УПР2) [2, 8-9].

Рисунок 2. Принципиальная схема для автоматизации работы УО [9]

Механическая работа УО производится алгоритму: когда требуется очистка ФЭМ 1 срабатывает ЭД 2, в результате чего ролик будет совершать вращательное движение по часовой стрелке вокруг оси ЭД 2, блок вращения 6 будет скручивать трос 5, что приведет в движение ЧЧ 4 [2, 8-9]. В то время насос 11 через шланги 12 будет подавать воду из резервуара 10 к насадкам 7, которые под давлением разбрызгают воду на ОП 1, а ЧЧ 4 с помощью подшипником будет совершать прямолинейные движения вдоль ФЭМ 1, тем самым очищая её от пыли. Когда профиль ЧЧ 4 коснётся кнопок переключения 15, ролик 22 будет совершать вращательное движение против часовой стрелки, вследствие чего направление ЧЧ 4 меняется вниз (или вверх). Процесс описанного действия совершается УО повторно до того, пока вся поверхность не будет очищена от пыли (К_СВ≥92%), то он подаст сигнал к переключателю, который разомкнет цепь и обесточит элементов мехатронной системы [2, 8, 9].

Таким образом, УО может функционировать автономно в составе ФЭС. Рабочий цикл обычно запускается по расписанию в зависимости от уровня запыленности ОП или по сигналу датчика К_СВ. В ходе цикла ЭД плавно проводит ЧЧ по всей поверхности ФЭМ (с лёгким смачиванием), удаляя частицы пыли, после чего возвращает ЧЧ в исходное нижнее положение. Мехатронная система управления УО следит за параметрами работы, при необходимости может подать сигнал о завершении процесса. В итоге осуществляется автоматическая очистка ФЭМ с минимальным участием человека.

Список литературы:

1. Al-Hasan A.Y., Choneim A.A., Al-Ali I. Modeling and analysis of dust and temperature effects on photovoltaic systems’ energy yield // Renewable Energy, 2016, Vol. 92, pp.499-507.
2. Содиков Т.Б. Разработка устройства для очистки фотоэлектрической батареи от пыли // Международный журнал Альтернативная энергетика и экология. - Саров, 2024. - № 7. – С. 12-20.
3. Mohamed J. Adinoyi, Syed A.M. Said. Effect of dust accumulation on the power outputs of solar photovoltaic modules // Renewable energy, 2013, Vol. 60, pp. 633-636 https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.06.014
4. Abdullah Al-Sharafi, Ahmad Bilal Ahmadullah, et al. Influence of environmental dust accumulation on the performance and economics of solar energy system: A comprehensive review // Cleaner Energy System, 2024, Vol. 8. https://doi.org/10.1016/j.cles.2024.100125
5. Bazarbayev, R., Kurbanov, D., Karazhanov S. et al. The Possibility of the Exploration of Influence of External Factors on the Solar Panels in Laboratory Conditions // Applied Solar Energy, 2023, Vol. 59, pp. 164-168. https://link.springer.com/article/10.3103/S0003701X22601223
6. Холматов О.О., Хасанов Ж.Ф. Автоматическая система очистки солнечных панелей на базе Arduino для удаления пыли // Innovations in technology and science education, 2023, № 7(2). – С.861-871.
7. В.Г. Дыскин, Х. Сабиров, И.М. Камолов, Э.Т. Абдуллаев. Очистка загрязнения поверхности фотоэлектрической батареи струей воздуха // Гелиотехника, 2017, № 3. – С. 19-22.
8. Содиков Т.Б., Зикриллаев Х.Ф. Устройство для очистки оптической поверхности солнечной панели от пыли // Вестник МЭИ. – Москва, 2024, № 6. – С. 68-75.
9. Зикриллаев Х.Ф., Содиков Т.Б. Автоматизация процесса очистки солнечной панели оснащенной системой очистки // Сборник избранных статей международной научной конференции «Инновационные исследования в современном мире». Санкт-Петербург, 20 апреля 2024 год. – С.20-21.