Файл: Разработка автономной солнечной электростанции для питания слаботочных систем освещения.pdf
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 137
Скачиваний: 8
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
37
Рисунок 2.10 – Распределение плотность энергии в зависимости от типа АКБ
2.3.1 Виды аккумуляторных батарей
Рассмотрим существующие виды аккумуляторных батарей.
2.3.1.1 Свинцово-кислотные батареи
Являются обычными автомобильными аккумуляторами, в которых электроды представляют собой оксид свинца с примесью других химических элементов, помещённый в электролит, который находится в состоянии водя- ного раствора. Электролит разбавлен серной кислотой.
Стандартные аккумуляторы могут прослужить около 3-5 лет. В связи с режимом работы, который отличается от режима при запуске автомобильно- го двигателя, в данной системе рассматриваемые аккумуляторы изнашивают- ся и выходят из строя относительно быстро. Важный их плюс - они дёшевы.
Глубокий разряд свинцово-кислотный АКБ плохо влияет на их характери- стики. Перезаряд тоже портит АКБ. В случае полного разряда резко сокра- щается их срок службы. Если не отключить от зарядки полностью заряжен- ный аккумулятор, тогда электролит в нем может закипеть. Начнется образо- вание газов. АКБ может вспучиться или взорваться.
38
2.3.1.2 Никель-кадмиевые батареи
Представляют собой щелочные аккумуляторные батареи, в которых положительным активным материалом является оксид никеля, а отрицатель- ным - кадмий.
Батареи этого типа хорошо справляются с высокими показателями мощности. Их основным преимуществом можно выделить большой ресурс циклов «заряда-разряда». Однако, данные батареи опасны при разгерметиза- ции, что делает их утилизацию очень дорогой.
2.3.1.3 Щелочные аккумуляторы
Щелочные аккумуляторы редко применяют в системах СЭС по при- чине невосприимчивости этого типа АКБ к малым токам при зарядке, и необходимости прохождения полного цикла от заряженного до разряженного состояния. В противном случае происходит уменьшение емкости батареи.
Тем не менее, щелочные аккумуляторы способны переносить глубокий заряд.
Это делает их удобными в использовании на больших СЭС. Также эти устройства имеют больший вес и габариты по сравнению с конкурентами той же емкости.
2.3.1.4 Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы намного легче и имеют меньшие габари- ты, чем многие другие АКБ. Они имеют высокую себестоимость, поэтому их редко используют в СЭС. Они также имеют более длительный срок службы по сравнению со свинцово-кислотными батареями. К тому же, срок их экс- плуатации вдвое меньше, чем у гелиевых. Это делает их использование не- выгодном в долгосрочной перспективе. Другим важным недостатком являет- ся постепенное уменьшение объема емкости, не зависящее от принципа от- слеживания уровня заряда литий-ионных аккумуляторов.
39
2.3.1.5 Аккумуляторы OPzS
«OPzS» используется для обозначения заливных трубчатых свинцово- кислотных аккумуляторных батарей глубокого цикла. В этих батареях, как правило, элементы соединены последовательно для получения более высоко- го напряжения и каждый из них имеет напряжение 2 Вольта. Этому типу ба- тарей нужна вентиляция. Они содержат жидкий электролит, который состоит из разбавленной серной кислоты.
2.3.1.6 Аккумуляторы AGM
AGM АКБ– это Absorbent Glass Mat батарея, т.е. содержащая абсорби- рующее стекловолокно.
Аккумуляторы AGM относятся к виду свинцово-кислотных, но отли- чаются от обычных АКБ этого типа тем, что в AGM устройствах электролит удерживается в стекловолокне. Волокна стекловолокна не впитывают элек- тролит и не подвержены его воздействию. Данные аккумуляторы обладают лучшими характеристиками саморазряда, чем традиционные аккумуляторы.
Эти АКБ отличаются продолжительным сроком эксплуатации, имеют большую емкость и имеют большое количество циклов заряда-разряда. AGM
АКБ не нужно обслуживать. В них применена технология, которая не дает кислоте утечь, и возникнуть коррозии. AGM устройства характеризуются устойчивостью к глубоким зарядам. Батарея может работать при температуре
-40 0
. АКБ обладает виброустойчивостью. Это увеличивает ее срок службы.
Как и в случае со свинцово-кислотными батареями, для увеличения срока службы батареи AGM важно соблюдать требования к зарядке, либо ис- пользовать контроллеры заряда АКБ.
2.3.1.7 Гелиевые аккумуляторы
Гелиевые АКБ относятся к типу AGM аккумуляторов, но электролит, удерживаемый в стекловолокне, является гелеобразным. Этого добиваются с помощью силикагеля
40
Такие АКБ могут работать в условиях пониженных температур, дохо- дящих до -50 °C, сохраняя при этом ёмкость и работоспособность, однако не на долгое время. Свойства устройства полностью сохраняются в отключен- ном режиме при длительном хранении.
АКБ устойчивы к глубоким разрядам. Срок службы - до 12 лет. Произ- водители гарантируют от 500 до 3500 циклов заряда-разряда.
2.4
Контроллеры
Контроллер заряда АКБ – это блок, который должен быть в любой ав- тономной системе с аккумуляторной батарей. Контроллер контролирует про- цесс заряда и разряда АКБ.
Контроллер заряда аккумулятора позволяет получить правильную функцию заряда для разных типов АКБ. Для получения максимального эф- фекта от солнечной панели необходимо подключать ее к нагрузке опреде- ленного сопротивления. Для обеспечения правильного согласования нагруз- ки и солнечной панели применяют контроллер.
Контроллер заряда аккумуляторной батареи для заряда АКБ использует
ШИМ. С помощью такой модуляции достигается полный заряд батареи.
Контроллер следит за процессом заряда и разряда аккумуляторной ба- тареи. Он может осуществлять процесс переключения нагрузки от сети на аккумулятор.
Контроллер заряда используется в сочетании с системой солнечного энергоснабжения с подключением к сети, которая включает в себя резервные аккумуляторные батареи. Контроллер солнечного заряда управляет энергией, поступающей в батарею от солнечной батареи. Это гарантирует, что батареи глубокого цикла не будут перезаряжаться в течение дня, и что питание не пе- реходит назад к солнечным батареям в течение ночи и не разряжает батареи.
Управление питанием является его основной задачей.
41
2.4.1 Виды контроллеров заряда АКБ
Существуют три разновидности контроллеров:
Простейшие;
МРРТ;
ШИМ (PWM).
Каждый из них имеет свой алгоритм работы. Рассмотрим каждый из них подробнее.
2.4.1.1 Простейшие контроллеры
Принцип работы простейших контроллеров прост. Как только батарея зарядилась до 14,4 В, контроллер отключает источник энергии. В нашем слу- чае – это солнечная панель. Контроллер контролирует напряжение. Как толь- ко напряжение на АКБ упало до 12,5-13В, снова подключается источник энергии - солнечная панель. АКБ начинает снова подзаряжаться.
При таком способе заряда АКБ, она заряжаешься всего до 60-70%. Ес- ли АКБ постоянно недозаряжается, то пластины сульфатируются. При этом снижается срок работы АКБ.
Данный простейший контроллер – самый неэффективный, но дешевый.
2.4.1.2 MPPT контроллеры
МРРТ контроллеры – это Maximum Power Point Tracking контроллеры.
Данные контроллеры, по особому алгоритму, создавая особую величину нагрузки, чтобы забрать максимум мощности от солнечной панели в АКБ.
МРРТ контроллеры измеряют напряжение панели и преобразуют по- нижающее напряжение в напряжение батареи. Поскольку мощность на кон- троллере заряда равна мощности на выходе контроллера заряда, при падении напряжения в соответствии с аккумуляторной батареей ток увеличивается, поэтому им используется больше доступной мощности с одной солнечной панели. При использовании панели на 24В с помощью MPPT контроллера
42 можно заряжать батарею на 12В, или две последовательные батареи могут заряжать батарею на 24В и т.д.
МРРТ контроллер контролирует величины напряжения и тока от сол- нечной панели. Далее по алгоритму контроллер рассчитывает мощность и определяет параметры, при которых будет передаваться максимальная мощ- ность. Отдельный алгоритм работы контроллера определяет за состоянием аккумулятора. В зависимости от его состояния, он подает на выход ток опре- деленной величины. В то же время процессор передает информацию на ин- дикационное табло, сохраняет в постоянную память необходимые данные.
Значения максимального тока и напряжения (точка максимальной мощности) на выходе солнечной панели зависит от освещенности фотоэле- ментов, температуры, до которой нагрета панель и других условий.
В алгоритме контроллера есть программный код, который пытается оп- тимизировать точку максимальной мощности (ТММ). Для этого он для те- кущей оптимальной точки пытается увеличить и уменьшить нагрузку. Если для одно из вариантов мощность увеличилась, то контроллер перейдет в эту точку. В момент поиска точки максимальной мощности появляются незначи- тельные потери энергии. Однако, найденная точка максимальной мощности с помощью МРРТ с лихвой компенсируется. Особенно в пасмурные дни. По- иск точки максимума – ТММ сопряжен с незначительной потерей энергии.
Данные потери ничтожны по сравнению с выигрышем от этого подхода осо- бенно в облачные дни. Рисунок 2.11 демонстрирует изменение ТММ при смене внешних условий.
43
Рисунок 2.11 – Изменение ТММ солнечной панели при разных уровнях освещенности
Последним новшеством является оптимизатор мощности для солнеч- ной панели. Power optimizer – устройство, являющееся уменьшенной копией
МРРТ контроллера. Оно контролирует поиск рабочей точки для получение максимального тока и напряжения на выходе солнечной панели. Такое устройство не контролирует процесс заряда АКБ. Такие оптимизирующие устройства уменьшают потери энергии, возникающие из-за разного освеще- ния панелей.
2.4.1.3 ШИМ контроллеры
ШИМ контроллеры основаны на широтно-импульсной модуляции тока заряда. Данный тип контроллера работает путем подключения напрямую от солнечной батареи к аккумулятору. Во время массовой зарядки, когда суще- ствует непрерывное соединение между массивом солнечных панелей и акку- мулятором, выходное напряжение массива понижается контроллером до напряжения аккумулятора. Когда батарея заряжается, её напряжение повы-
44 шается, поэтому выходное напряжение солнечной панели также увеличива- ется, используя больше солнечной энергии во время зарядки. При этом воз- можен заряд АКБ до 100%.
ШИМ в свою очередь подразделяется на два подвида: последовательные; шунтовые.
Последовательные контроллеры отсоединяют батарею от солнечной панели, чтобы регулировать систему используются два полупроводниковых транзистора, которые предотвращают движения тока в обоих направлениях.
В шунтовых контроллерах, при необходимости остановить заряд АКБ, электрический ток протекает через шунт в обход АКБ.
1 2 3 4 5 6
2.5
Выводы по второму разделу
С учетом географического расположения электростанции – необходи- мо выбирать поликристаллические солнечные панели. Они позволяют преоб- разовывать не только прямые солнечные лучи, но и отраженные.
Солнечные панели будем располагать вертикально под углом 38 0
. При этом угле наклона, согласно расчетам, получены усредненные характеристи- ки преобразования панелей. Количество выработанной энергии зимой и ле- том будут отличаться всего в 2 раза. При других наклонах разница вы выра- ботке электричества отлична до 5 раз.
Для снижения расходов на обслуживание электростанции, все элемен- ты будут выбираться необслуживаемыми. Выбор наклона в 38 0
позволяет ис- ключить лишнее обслуживание батареи зимой. При таком наклоне снег не будет задерживаться на панели. Под действием силы тяжести он сам будет с нее съезжать. В летнее время года – осадки не будут задерживаться на пане- ли.
В качестве инвертора можно выбрать автономный или гибридный ин- вертор. При незначительной разности в цене, лучше выбирать гибридный ин-
45 вертор. Он может подмешивать в сеть излишки энергии, генерируемые сол- нечными панелями. Тем самым снизится срок окупаемости устройства.
Как только будет принят закон о зеленой энергии в России, такую сге- нерированную энергию можно будет продавать. Это ускорит срок окупаемо- сти электростанции.
Главная особенность автономной работы солнечной электростанции заключается в необходимости накопления требуемого объема энергии в ак- кумуляторные батареи в дневное время суток. Солнечные панели должны за день успеть сгенерировать нужное количество энергии, а аккумуляторы – за- пасти.
Солнечная электростанция должна содержать МРРТ контроллер заряда
АКБ. Данный контроллер позволит получить максимум мощности от сол- нечных панелей. Контроллеры другого типа использовать можно, но они имеют меньшую эффективность.
Разработанная солнечная электростанция должна иметь возможность масштабирования. В этом случае может быть запитан от нее целый электро- технический корпус.
Автономная солнечная электростанция позволит экономить электриче- ство, питать слаботочные установки при отсутствии электроэнергии в сети.
Для такой электростанции не нужны подстанции, распределительные будки, трансформаторы.
46
3
Разработка системы хранения и преобразования энергии для
поддержания независимой работоспособности солнечной электростан-
ции в течении 24 часов
3.1
Исходные данные для выбора элементов солнечной электро-
станции
3.1.1 Характеристика объекта
Для проведения такого обследования нами был выбран учебный корпус
Э, предназначенный для проведения лекционных, практических и лаборатор- ных занятий, Тольяттинского Государственный Университета, расположен- ный по адресу 445020, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Ушакова, 57. Общая площадь корпуса 1428,6 м
2
В здании корпуса находятся 67 учебных, 41 административное и 11 подсобных помещений, а также 17 санузлов.
В корпусе в основном находятся компьютерные классы и лабораторные стенды.
На рисунке 3.1 приведена электрическая схема ввода ЭТФ.
Для снятия характеристик объекта использовался анализатор качества энергии Circutor.
По данному графику (рис.3.2) зависимости фазного тока от времени можно заметить, что ток в фазе А, в некоторые моменты времени, имеет осо- бенное различие с током фазы В, это может быть связано с неравномерно распределенной нагрузкой. При максимальном значении разница между этими фазами составляет 27%. Данное значение превышает норму (рекомен- дуемое значение- 15%). Необходимо, по возможности, выровнять нагрузку по фазам.
Также мы видим, что значение тока начинает расти с началом учебного процесса и уменьшается ближе к концу учебного дня.