vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2020-47-2-8-17vdgtu-803Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERINGЭнергоэффективный интегральный термоэлектрический преобразователь солнечной радиацииPower-effective integral thermoelectric solar radiation converterГаджиеваС. М.GadzhievaS. M.

Гаджиева Солтанат Магомедовна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и общей электротехники.

367026, Махачкала, пр. И.Шамиля,70.

Soltanat M. Gadzhieva - Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Assoc. Prof., Department of Theoretical and General Electrical Engineering.

70 I. Shamilya Ave., Makhachkala 367026.

gadzhieva_soltanat@mail.ruКурбановаП. А.KurbanovaP. A.

Курбанова Патимат Арсланалиевна - аспирантка, старший преподаватель кафедры теоретической и общей электротехники.

367026, Махачкала, пр. И.Шамиля,70.

Patimat A. Kurbanova - Graduate Student, Senior Lecturer, Department of Theoretical and General Electrical Engineering.

70 I. Shamilya Ave., Makhachkala 367026.

magomedova-pa@mail.ruМагомедоваУ. А.MagomedovaU. A.

Магомедова Умуханум Арсланалиевна - студентка факультета радиоэлектроники, телекоммуникаций и мультимедийных технологий.

367026, Махачкала, пр. И.Шамиля,70.

Umukhanum A. Magomedova - Student of the Faculty of Radio Electronics, Telecommunications and Multimedia Technologies.

70 I. Shamilya Ave., Makhachkala 367026.

umma.dag@gmail.comДагестанский государственный технический университетРоссияDaghestan State Technical UniversityRussian Federation202006082020472817Copyright © Гаджиева С.М., Курбанова П.А., Магомедова У.А., 20202020Гаджиева С.М., Курбанова П.А., Магомедова У.А.Gadzhieva S.M., Kurbanova P.A., Magomedova U.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/803

Цель. В статье рассматривается преобразование солнечной радиации в электричество с использованием одновременно нескольких эффектов, которые дополняют друг друга и преобразуют недостатки одного способа преобразования в достоинства другого способа. Метод. Применены методы моделирования теплообменных процессов при многократном переотражении светового потока на солнечном концентраторе цилиндрической формы. Результат. Предлагается сформировать интегральную совокупность полупроводниковых преобразователей фотонов совместно с фотоэффектом на металлических электродах с низкой работой выхода электронов и термоэлектрическим эффектом, что позволит повысить энергоэффективность всей конструкции с дополнительным многократным переотражением фотонов на концентраторе солнечных лучей в виде цилиндрической поверхности с радиально расположенными зеркальными металлическими электродами. Фотоны при попадании на энергоэффективный интегральный термоэлектрический преобразователь солнечной радиации в электроэнергию будут либо преобразованы на p-n-переходе солнечной батареи, либо участвовать в фотоэффекте на электродах, либо будут поглощены материалом конструкции, нагреют её и выработают на термогенераторе также электричество. Такой подход позволяет повысить КПД до максимально возможного значения. Вывод. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что все попавшие фотоны на энергоэффективный интегральный термоэлектрический преобразователь солнечной радиации будут преобразованы в электричество в той или иной степени, и только незначительная часть будет рассеяна в виде тепловых потерь или переотражений наружу.

Aim. This article is devoted to the conversion of solar radiation into electricity using the joint effect of several methods, which complement each other by transforming the disadvantages of one method into the advantages of another method. Methods. Heat exchange processes occurring under multiple re-reflection of the light flux on a cylindrical solar concentrator were simulated. Results. It is proposed to form an integrated set of semiconductor photon conyerters together with a photoelectric effect on metal electrodes, thus producing a low electron output and a thermoelectric effect. This approach increases the energy efficiency of the entire structure with an additional multiple rereflection of photons on the solar flux concentrator in the form of a cylindrical surface with radially arranged mirror metal electrodes. When reaching a power-effectiye integrated thermoelectric con-yerter of solar radiation to electricity, photons will either be conyerted at the p-n junction of a solar cell, or participate in the photoelectric effect at the electrodes, or be absorbed by the construction material to produce thermoelectric power. This approach allows the efficiency of the entire system to be maximized. Conclusion. All the photons that hit the proposed power-effectiye integrated thermoelectric solar radiation conyerter will be conyerted to electricity to a certain extent, with only their small part being scattered outside in the form of heat losses or re-reflections.

фотоэффектсолнечная батареятермогенераторэффект Зеебекафотонphotoelectric effectsolar batterythermal generatorSeebeck effectphotonReferencesПатент РФ № 2335825. Термоэлектрическое устройство с высоким градиентом температур / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М. // 10.10.2008.Patent RF № 2335825. Termoelektricheskoye ustroystvo s vysokim gradiyentom temperatur / Ismailov T.A., Gadzhiyev KH.M., Gadzhiyeva S.M. // 10.10.2008. [RF patent No. 2335825. Thermoelectric device with a high temperature gradient / Ismailov TA, Gadzhiev H.M., Gadzhieva S.M. // 10.10.2008. (In Russ)]Патент РФ № 2575614. Термоэлектрический генератор с высоким градиентом температур между спаями / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Челушкина Т.А., Челушкин Д.А. // Б.И. № 5,2016.Patent RF № 2575614. Termoelektricheskiy generator s vysokim gradiyentom temperatur mezhdu spayami / Ismailov T.A., Gadzhiyev KH.M., Chelushkina T.A., Chelushkin D.A. // B.I. № 5 , 2016 [RF patent No. 2575614. Thermoelectric generator with a high temperature gradient between junctions / Ismailov T.A., Gadzhiev H.M., Chelushkina T.A., Chelushkin D.A. // B.I. No. 5, 2016. (In Russ)]Патент РФ № 2615041. Концентратор лучей для солнечной батареи с веерным расположением зеркальных отражающих электродов / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Давыдова К.М., Акимова С.К., Исамилова З.А. // 03.04.2017.Patent RF № 2615041. Kontsentrator luchey dlya solnechnoy batarei s veyernym raspolozheniyem zerkal'-nykh otra-zhayushchikh elektrodov / Ismailov T.A., Gadzhiyev KH.M., Davydova K.M., Akimova S.K., Isamilova Z.A. // 03.04.2017. [RF patent No. 2615041. A beam concentrator for a solar battery with a fan-shaped arrangement of mirror reflecting electrodes / Ismailov TA, Gadzhiev Kh.M., Davydova KM, Akimova SK, Isamilova Z.A. // 03.04.2017. (In Russ)]Патент РФ № 2616741. Шарообразная солнечная батарея с многократным преломлением и отражением лучей в концентраторе / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Давыдова К.М., Акимова С.К., Исамилова З.А. // 18.04.2017.Patent RF № 2616741. Sharoobraznaya solnechnaya batareya s mnogokratnym prelomleniyem i otrazheniyem luchey v kontsentratore / Ismailov T.A., Gadzhiyev KH.M., Davydova K.M., Akimova S.K., Isamilova Z.A. // 18.04.2017. [ RF patent No. 2616741. Spherical solar cell with multiple refraction and reflection of rays in a concentrator / Ismailov T.A., Gadzhiev H.M., Davydova K.M., Akimova S.K., Isamilova Z.A. // 04/18/2017. (In Russ)]Патент Солнечный теплогенератор. https://findpatent.ru/patent/172/1726923.htmlPatent Solnechnyy teplogenerator. https://findpatent.ru/patent/172/1726923.html [Patent Solar Heat Generator https://findpatent.ru/patent/172/1726923.html (In Russ)]Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. // СПб.: Политехника, 2005. 533 с.Ismailov T.A. Termoelektricheskiye poluprovodnikovyye ustroystva i intensifikatory teploperedachi. // SPb.: Politekhnika, 2005. 533 s. [Ismailov T.A. Thermoelectric semiconductor devices and heat transfer intensifiers. // St. Petersburg: Polytechnic, 2005.533 s. 8. Design and principle of operation of oxide solar cells / A. V. Ryzhenkov, T. N. Patrusheva, A. V. Popov, N. V. Maglinets // Modern problems of radio electronics: coll. scientific tr / Sib. Feder. un-t -Krasnoyarsk, 2010 рр. 256-261. (In Russ)]Конструирование и принцип действия оксидных солнечных ячеек/ А. В. Рыженков, Т. Н. Патрушева, А. В. Попов, Н. В. Маглинец // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2010. С. 256-261.Konstruirovaniye i printsip deystviya oksidnykh solnechnykh yacheyek/ A. V. Ryzhenkov, T. N. Patrusheva, A. V. Popov, N. V. Maglinets // Sovremennyye problemy radioelektroniki: sb. nauch. tr. / Sib. feder. un-t. Kras-noyarsk, 2010. S. 256-261. [Design and principle of operation of oxide solar cells / A. V. Ryzhenkov, T. N. Patrusheva, A. V. Popov, N. V. Maglinets // Modern problems of radio electronics: coll. scientific tr / Sib. Feder. un-t - Krasnoyarsk, 2010. рр. 256-261. (In Russ)]Краснок А.Е., Максимов И. С., Денисюк А. И., Белов П. А, Мирошниченко А. Е., Симовский К. Р., Кившарь Ю. С. Оптические нано-антенны // Успехи физических наук. -2013. - Т.183, №6. - С.561-589. - doi:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.Krasnok A.Ye., Maksimov I. S., Denisyuk A. I., Belov P. A, Miroshnichenko A. Ye., Simovskiy K. R., Kivshar' YU. S. Opticheskiye nano-antenny // Uspekhi fizicheskikh nauk. -2013. - T.183, №6. - S.561-589. - doi:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561. [Krasnok AE, Maksimov IS, Denisyuk AI, Belov PA, Miroshnichenko AE, Simovsky KR, Kivshar Yu S. Optical nano-antennas // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2013. Vol.183, No. 6. рр. 561-589. doi:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561. (In Russ)]Паращук, Д. Ю. Современные фотоэлектрические и фотохимические методы преобразования солнечной энергии: препринт / Д. Ю. Паращук; МГУ. - М.: УНЦ ДО НИИЯФ МГУ, 2009. 20 с.Parashchuk, D. YU. Sovremennyye fotoelektricheskiye i fotokhimicheskiye metody preobrazovaniya solnechnoy energii: preprint / D. YU. Parashchuk; MGU. - M.: UNTS DO NIIYAF MGU, 2009. 20 s. [Parashchuk D. Yu. Modern photovoltaic and photochemical methods for converting solar energy: preprint / D. Yu. Parashchuk; Moscow State University. -M.: UC DO NIIYaF Moscow State University, 2009 . 20 p. (In Russ)]Патрушева, T. H. Фотоактивные оксидные пленки и гетероструктуры / Т. Н. Патрушева, Т. Н. Шелованова // Журнал СФУ. Техника и технология. - 2009. - Т. 2, № 2. - С. 151-159.Patrusheva, T. H. Fotoaktivnyye oksidnyye plenki i geterostruktury / T. N. Patrusheva, T. N. Shelovanova // Zhurnal SFU. Tekhnika i tekhnologiya. - 2009. - T. 2, № 2. - S. 151-159. [ Patrusheva T. H. Photoactive oxide films and heterostructures / T. N. Patrusheva, T. N. Shelovanova // Journal of Siberian Federal University. Technique and technology. 2009. Vol. 2, No. 2. рр. 151-159. (In Russ)]Сибатов, P. T. Дробно-дифференциальная теория аномальной кинетики носителей заряда в неупорядоченных полупроводниковых и диэлектрических системах: дис. д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07 / Р. Т. Сибатов. - Ульяновск, 2012.Sibatov P. T. Drobno-differentsial'naya teoriya anomal'noy kinetiki nositeley zaryada v neuporyadochennykh poluprovodnikovykh i dielektricheskikh sistemakh: dis. d-ra fiz.-mat. nauk: 01.04.07 / R. T. Sibatov. - Ul'yanovsk, 2012. [Sibatov P. T. Fractional differential theory of anomalous kinetics of charge carriers in disordered semiconductor and dielectric systems: dis. Dr. Phys.-Math. Sciences: 01.04.07 / R.T. Sibatov. Ulyanovsk, 2012. (In Russ)]Фролкова Н.О. Обобщенная модель солнечного элемента в среде Matlab Simulink / Н.О.Фролкова, О.А.Фролков // Материалы XI Международной конференции «Системы компьютерной математики и их приложения» СКМП-2010. С.70-72.Frolkova N.O. Obobshchennaya model' solnechnogo elementa v srede Matlab Simulink / N.O.Frolkova, O.A.Frolkov // Materialy XI Mezhdunarodnoy konferentsii «Sistemy komp'yuternoy matematiki i ikh prilozheniya» SKMP-2010.- S.70-72. [ Frolkova N.O. A generalized model of a solar cell in the environment of Matlab Simulink / N.O. Frolkova, O.A. Frolkov // Materials of the XI International Conference "Computer Mathematics Systems and Their Applications" SKMP- 2010. рр.70-72. (In Russ)]Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016.Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016.David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Дата обращения 6 июня 2016.David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (eng.). gizmag.com (July 25, 2014). Date of treatment June 6, 2016Jamri, M.S. Modeling and control of a photovoltaic energy system using the state-space averaging technique / M.SJamri, T.C.Wei // American Journal of Applied Science.- 2010.-№7.- p.682-691.Jamri, M.S. Modeling and control of a photovoltaic energy system using the state-space averaging technique / M.S. Jamri, T.C. Wei // American Journal of Applied Science. 2010. No. 7^.682-691.Frolkov O.A. // 13 International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components. ICEEE-2010. p. 152.Frolkov O.A. // 13 International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components. ICEEE-2010. p. 152.Ramabadran R. Effect of Shading on Series and Parallel Connected Solar PV Modules / R. Ramabadran, B. Mathur // Modern applied science. 2010. Vol.3. №.10.рр.32-41.Ramabadran, R. Effect of Shading on Series and Parallel Connected Solar PV Modules / R. Ramabadran, B. Mathur // Modern applied science. 2010. Vol. 3. No.l0. рр.32-41.Single-wire dye-sensitized solar cells wrapped by carbon nanotube film electrodes / S. Zhang, С. Ji, Z. Bian et al. // Nano Lett. 2011. Vol. 11.рр. 3383-3387.Single-wire dye-sensitized solar cells wrapped by carbon nanotube film electrodes / S. Zhang, C. Ji, Z. Bian et al. // Nano Lett. 2011. Vol. 11. P. 3383-3387.Synopsys' Sentaurus TCAD Used to Simulate Solar Cell Performance Characteristics at NREL: Электронный ресурс. (http://synopsys.mediaroom.com/index.php?s=43&item=737). Проверено 28.11.2010.Synopsys' Sentaurus TCAD Used to Simulate Solar Cell Performance Characteristics at NREL: Electronic resource. (http://synopsys.mediaroom.com/index.php?s=43&item=737). Retrieved November 28, 2010.Znajdek, К. Review of simulation models suitability for characterization of actual Si PV cells / K.Znajdek // XII International PhD Workshop OWD 2010. рp.423-425.Znajdek, K. Review of simulation models suitability for characterization of actual Si PV cells / K. Znajdek // XII International PhD Workshop OWD 2010. рp. 423-425.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.