Файл: Разработка автономной солнечной электростанции для питания слаботочных систем освещения.pdf

47
Ри су но к
3.1
–
Сх ема эл ектр ич е- ская

48
Рисунок 3.2 – Ток
Рисунок 3.3 – Реактивная мощность
Рисунок 3.4 – Активная мощность

49
Рисунок 3.5 – Полная мощность
На рисунках 3.3 – 3.5. показаны дневные графики потребления полной, активной и реактивной энергии. Исходя из графиков (рис.3.4) на фазе А са- мая большая нагрузка. По графику видно, что приблизительно в 8:30 нагруз- ка резко возрастает в связи увеличением количества потребителей. Далее мы видим, что до 12 часов количество потребителей продолжает возрастать, а после 12 по мере уменьшения потребителей уменьшается потребляемая мощность. На фазах В и С мы видим приблизительно аналогичные графики, но мощность заметно меньше, так как на них подключено меньше потреби- телей.
Из анализа графика 3.5. можно сделать вывод, что максимум потребля- емой полной мощности составляет 71 кВА, минимум – 32 кВА в рабочее время суток.
График (рис.3.6) коэффициента мощности напрямую связан с графиком мощности. Можно заметить, что во время падения мощности на трёх фазах значительно увеличивается cosφ. Это говорит нам о том, что в данный мо- мент времени количество потребителей значительно уменьшается. Значение cosφ находится в пределах нормы.

50
Анализ исходных данных показывает, что максимальное потребление учебного корпуса Э – 71 кВА. Среднее значение – 55 кВА.
Рисунок 3.6 – Коэффициент мощности
Солнечная электростанция должна обеспечить питание только слабо- точных систем освещения. В учебном корпусе на потолке установлены све- тодиодные светильники.
В здании корпуса находятся 67 учебных, 41 административное и 11 подсобных помещений, а также 17 санузлов. Снабжать автономным электри- чеством для освещения помещений будем только учебные и административ- ные объекты.
Расчеты показали, что в среднем каждый объект потребляет 200 Вт.
Найдем максимальную потребляемую мощность:
Вт
(3.1) где
– средняя мощность, необходимая для освещения одной ауди- тории;
А – количество аудиторий.

51
Загрузка аудиторий составляет от 50 до 65%. В результате требуемая мощность на освещение все аудиторий при максимальной загрузке аудито- рий в 70%:
Вт
(3.2)
Занятия в учебном корпусе проходят с 8:30 и до 21:15. Получается, что освещение необходимо с 8:00 и до 22:00. В оставшееся ночное время осве- щение в аудиториях не используется. В случае отсутствия электричества необходимо запасти энергии для автономного питания аудиторий:
Вт∙ч
(3.3) где t=14 – время использование аудиторий, часы.
3.1.2 Выбор и расчет параметров солнечных панелей
Из возможных вариантов выбрана поликристаллическая солнечная па- нель марки NEOSUM
TM
Standart 72 – NS-335PP. Она создана на базе передо- вых Поликристаллических 5BB ячеек. Ячейки позволяют получить высокую производительность даже при низкой инсоляции и в суровых климатических условиях. Гарантированный срок службы солнечной панели - более 30 лет.
Производитель рекомендует использовать такие панели для построения элек- тростанций от сотен Вт до нескольких МВт. Цена – 17000 руб. [48].
Характеристики солнечной панели сведены в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Характеристики солнечной панели NEOSUM NS-335PP
Электрические характеристики
Параметр
Значение
Солнечный элемент
Поли 72 ячейки, 5ВВ, Grade A, 6x12 ячеек
Мощность модуля
335Вт
Допуск мощности до +10Вт
Напряжение при нагрузке
38.0В
Ток нагрузки
8.82A

52
Напряжение холостого хода
46.1В
Ток короткого замыкания
9.31A
КПД солнечного модуля
17.4%
Электрическая прочность
6000В

53
Продолжение таблицы 3.1
Электрические характеристики
Параметр
Значение
t °C эксплуатации и хранения
-40°C до +85°C
Класс огнезащиты
С
Габариты AxBxC
1950x990x40мм
На рисунке 3.7 изображен внешний вид солнечной панели NEOSUM
NS-335PP.
Рисунок 3.7 - Солнечная панель NEOSUM NS-335PP
В зависимости от освещенности, Вольт-амперная характеристика сол- нечной панели будет отличаться (рисунок 3.8).
Конструкция солнечной панели усилена от снега и ветра. Усиленная 35
/ 40мм рама и 3,2мм закаленное стекло позволяют выдерживать высокую снеговую нагрузку до 5400Па, ветровую нагрузку до 2400Па.
Солнечная панель имеет защиту от пыли, песка и соли. Низкая влаго- проницаемость модулей NEOSUN обеспечивает высокую устойчивость к

54 коррозии, солевому туману и аммиаку, что гарантирует стабильную работу
СЭС даже в суровых условиях — у береговой линии и на севере [52].
Анализ параметров батареи показывает, что с 1м
2
можно получить 167
Вт энергии.
Рисунок 3.8 - Вольт-амперная характеристика солнечной панели при разной степени освещенности
Используя рисунок 2.6 можно найти мощность, полученную с одного квадратного метра. Результаты внесли в таблицу 3.2.
По формуле 3.3 за солнечное время суток необходимо получить 200 кВт∙ч энергии. Средняя продолжительность светового дня по месяцам приве- дена в таблица 3.3
Таблица 3.2 – Мощность, которую можно получить с 1 м
2

55
Месяц
Мощность
Прямой свет
Рассеянный свет
Суммарная
Январь
85 35 120
Февраль
150 65 215
Март
190 65 255
Апрель
160 80 240
Май
140 85 225
Июнь
135 80 215
Июль
140 80 220
Август
145 80 225
Сентябрь
150 80 230
Октябрь
100 50 150
Ноябрь
60 30 90
Декабрь
60 25 85
Таблица 3.3 – Средняя продолжительность светового дня по месяцам в г. То- льятти, Самарская область
Месяц
Продолжительность, ч
Январь
8
Февраль
9,5
Март
12
Апрель
14
Май
16
Июнь
17
Июль
16,5
Август
15

56
Продолжение таблицы 3.3
Месяц
Продолжительность, ч
Сентябрь
12,5
Октябрь
10,5
Ноябрь
8,5
Декабрь
7,5
Из таблицы 3.2 возьмем суммарную мощность с 1 м
2
и длительность светового дня из таблицы 3.3 рассчитаем необходимую мощность для каждо- го месяца, которую нужно получить за 1 час светового дня (формула 3.4).
Вт
(3.4) где W – энергия, которую нужно получить от солнца за солнечный день;
t – длительность солнечного дня.
Все результаты расчетов для каждого месяца сведем в таблицу 3.4.
Таблица 3.4 – Требуемая мощность для автономной солнечной электростан- ции по месяцам в Самарской области, г. Тольятти.
Месяц
Мощность, кВт
Январь
25
Февраль
22,2
Март
16,7
Апрель
14,3
Май
12,5
Июнь
11,8
Июль
12,1
Август
13,3
Сентябрь
16

57
Продолжение таблицы 3.4
Месяц
Мощность, кВт
Октябрь
19
Ноябрь
23,5
Декабрь
26,7
Анализ данных активной мощности из таблицы 3.4. показывает, что максимальная требуемая мощность необходима зимой – 26,7 кВт в декабре.
Минимальная – 11,8 кВт в июле. Разница обусловлена длительностью сол- нечного дня.
Рассчитаем необходимое количество солнечных панелей. Производи- тель солнечных панелей сообщает, что один модуль может генерировать 335
Вт. Полученные значения округлим до больше величины: шт
(3.5) где Р – требуемая мощность всех солнечных панелей, Вт;
Р
панели
– мощность одной сборки солнечных панелей, Вт.
Выполним расчеты по формуле 3.5 для каждого месяца. Результаты сведем в таблицу 3.5.
Таблица 3.5 – Требуемое количество солнечных сборок по месяцам в г. Толь- ятти, Самарская область
Месяц
Количество сборок солнечных панелей, шт.
Январь
75
Февраль
67
Март
50
Апрель
43
Май
38

58
Продолжение таблицы 3.5
Месяц
Количество сборок солнечных панелей, шт.
Июнь
36
Июль
37
Август
40
Сентябрь
48
Октябрь
57
Ноябрь
71
Декабрь
80
Анализ данных из таблицы 3.5 показывает, что наибольшее количество солнечных сборок панелей необходимо в декабре – 80 шт. Наименьшее в июне – 36 шт. При таком количестве панелей аккумуляторные батареи будут успевать накапливать необходимую энергию. Разница между минимумом и максимумом батарей различается более, чем в 2 раза. Получается, что летом
54 батареи будут работать в холостую. За час простоя 54 солнечных сборок можно было бы получить: кВт∙ч
(3.6)
Полученную энергию можно подмешивать в электрическую сеть всего корпуса института. А если учесть, что летом занятия в корпусе не проводят- ся, то практически все 80 сборок солнечных панелей будут работать в холо- стую. Для ускорения сроков окупаемости солнечной электростанции необхо- димо использовать гибридный инвертор.
3.1.3 Выбор контроллера заряда АКБ
Контроллер для заряда АКБ – важное устройство. При его отсутствии остальное оборудование может перестать работать. Контроллер выполняет функцию правильного заряда АКБ. Выбирая контроллер, будем учитывать исходные параметры сборок солнечных панелей.

59
В нашем случае будет выбран МРРТ контроллер. Это связано с тем, что зимой в регионе низкая солнечная активность. А также с тем, что у контрол- лера есть функция поиска максимума передачи энергии. В результате можно получить до 2,5 раз больше энергии с одной солнечной панели, чем без тако- го контроллера. Несмотря на высокую стоимость МРРТ контроллера, с ним вся солнечная электростанция окупится быстрее [53-54].
3.1.4 Выбор и расчет параметров инвертора
Большинство фирм, занимающихся продажей компонентов к солнеч- ным электростанциям, продают в одном блоке инвертор и контроллер заряда
АКБ.
Для работы системы параллельно с сетью и независимо от нее необхо- дим трехфазный гибридный инвертор. При использовании гибридного ин- вертора блок-схема всех элементов будет выглядеть согласно рисунку 3.9.
Рисунок 3.9 - Схема автономной гибридной солнечной электростанции
В качестве инвертора выбрана система трехфазных инверторов SILA
PRO 20кВт (рисунок 3.10). Это система, состоящая из двух параллельно под- ключенных инверторов SILA Pro 10000MH. Она обладает всеми характери- стиками инверторов SILA Pro 10000MH и рабочей мощностью 20 кВт [53].

60
Рисунок 3.10 - Система трехфазных инверторов SILA PRO 20кВт
Система трехфазных инверторов SILA PRO 20кВт это уникальное устройство три в одном. Это :
MPPT контроллер заряда
Сетевой инвертор
Автономный инвертор с возможностью выбора приоритетов зарядки и нагрузки.
К сожалению, в России нельзя продавать энергию, отправляя ее в об- щую сеть. Ни один счетчик электрической энергии не воспримет этого. Он посчитает эту энергию, как потребленную. А за потребленную энергию нуж- но платить. Для регулировки подмешивания энергии в сеть нужно ставить специальный инвертор, который не будет скидывать лишнюю энергию в сеть.
Система трехфазных инверторов SILA PRO 20кВт использует техноло- гию Infini Hybrid. Вся нагрузка, подключенная на вход Load, питается от сол- нечных панелей и АКБ. Если мощность этой нагрузки мала, то остатки энер- гии начинают заряжать АКБ. Когда АКБ зарядился, то электричество подает- ся на инвертор для подмешивания в сеть.

61
При наличии нагрузки между инвертором и счетчиком электрической энергии, вся энергия с выхода инвертора будет питать эту нагрузку. Если нагрузка будет отсутствовать, то энергия уйдет в сеть. Если счетчик электри- ческой энергии не умеет считать отданную энергию, то в настройках инвер- тора можно сделать запрет на сброс лишней энергии в сеть.
Производитель говорит, что эта технология позволит использовать по назначению до 70-75% энергии солнца.
Система трехфазных инверторов SILA PRO 20кВт при наличии сети подмешивает туда энергию, полученную с помощью солнечных панелей. Так же в это время производится заряд АКБ. Нагрузку для такого режима работы необходимо подключать через внутренние реле к общей сети.
Если сеть пропадет, то инвертор начинает работу автономно, обеспечи- вая нагрузку, подключенную к терминалам LOAD энергией из солнечных панелей и АКБ. При таком питании нагрузки приоритет всегда отдается энергии от солнечных панелей. Если солнечные панели в автономном режи- ме генерируют больше энергии, чем может потребить нагрузка, то остатки энергии тратятся на заряд АКБ. Режимы работы инвертора показаны на ри- сунке 3.11.
Система трехфазных инверторов SILA PRO 20кВт имеет функцию
МРРТ – слежение за точкой максимальной мощности солнечной панели.
Основные особенности системы трехфазных инверторов SILA PRO
20кВт:
Чистая выходная синусоида
Трехфазное напряжение
Управление с помощью микропроцессора
Контроль точки максимальной мощности солнечной панели
ЖК дисплей, предоставляющий полную информацию
Настройка тока заряда АКБ до 200 А
Мониторинг и управление через сотовую сеть и интернет
Функция мониторинга через сотовую сеть

62
Функция параллельного подключения до 6 устройств (встроенная)
Основные режимы инвертора:
Параллельно с сетью (Grid-tie). Инвертор отдает энергию в сеть. АКБ не нужны.
Параллельно с сетью в режиме резервного источника (Grid-tie with backup). Инвертор отдает энергию в АКБ и в сеть. При пропадании сети, продолжает снабжать энергией нагрузку за счет АКБ.
Автономный режим (Off-grid). Инвертор – единственный источник питания. Он отдает энергию в нагрузку от солнечных панелей и АКБ.

63
Рисунок 3.11 - Автономная гибридная солнечная электростанция.
Схема подключения
Основные параметры гибридного трехфазного инвертора SILA PRO
20кВт внесены в таблицу 3.6
Таблица 3.6 - Основные параметры гибридного трехфазного инвертора SILA
PRO 20кВт
Название свойства
Значение свойства
Тип устройства
Бестрансформаторный
Количество фаз
Три
Мощность
20 000 Вт
Пиковая мощность
40 000 Вт (не более 5 сек)
Максимальная мощность солнечных батарей
29 700 Вт
Номинальная выходная мощность
20 000 Вт
Максимальная мощность заряда
19 200 Вт
Порты коммуникации
RS-232/USB and CAN Interface
Функция удаленного управления и мониторинга ( SNMP Card дополни- тельно )
Есть
Функция мониторинга через сото- вую сеть (GPRS Card дополнительно
)
Есть
Параллельное подключение
Да