CC BY
32
токов и несинусоидальности в других. Перечень ссылок
1. Вагин Г Я. Основные направления экономии энергии на металлургических предприятиях / Г. Я. Вагин, А. Б. Лоскутов, С. А. Шалаев - М. : Промышленная энергетика. - 1995. - № 9. - С. 12-15.
2. Енергетика Укра'Тни / МУстерство енергетики Укра'Тни. - К. : Мшенерго Укра'Тни, 1998. - 34 с.
3. Борисов Б. П. Электроснабжение электротехнологических установок / Б. П. Борисов, Г. Я. Вагин -К. : Наук. Думка, 1985. - 248 с.
4. Гудим В. I. Електромагштна сумюнють електропо-стачальних систем дугових сталеплавильних печей. / В. I. Гудим // Прац III Мiжнародноí науково-техшчно'Т конференцп «Математичне моделюван-ня в електротехшщ електрошц та електроенер-
гетиц» - Львiв, 1994. - С. 63-67.
5. Зиновкин В. В. Анализ повреждаемости трансформаторов, питающих энергоемкие резкопере-менные потребители промпредприятий / В. В. Зиновкин, А. П. Васьковский, Д. В. Зозуля, А. П. Лютый // Труды научн-техн. конф. «Трансформаторо-строение». - Запорожье: ВИТ, 1995. - С. 138-145.
6. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко - М. : Энергоатомиздат, 2004. - 358 с.
7. Рейгольд Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок / Р. Рейгольд; пер. с нем.;под ред. К. С. Демирчяна. - Л. : Энергия, 1980. - 578 с.
Поступила в редакцию 23.03.09 г.
После доработки 13.04.09 г.
Запропонована математична модель i методика комп'ютерного моделювання нестацюнарних електромагнiтних процеав в системi електропостачання енергоемного електротехнологiч-ного комплексу з нелiнiйним навантаженням i приведен результати дослiджень.
A mathematical model and method of computer design of non-stationary electromagnetic processes in the power supply system of power-intensive electrical engineering complex with the nonlinear loading are offered and the results of researches are presented.
УДК 621.355.1(088.8)
В. А. Дзензерский, С. В. Плаксин, Н. Е. Житник, Л. М. Погорелая
Метод зарядки химических источников тока в составе фотоэлектрической установки
Предложен метод зарядки химических источников тока в составе фотоэлектрических установок с применением системы промежуточных накопителей энергии, позволяющей повысить эффективность использования энергии фотопреобразователей в неблагоприятных условиях их работы.
Введение
Вследствие присущей фотоэлектрическим установкам (ФЭУ) нестабильности генерируемой энергии, вызванной совокупностью как внешних, так и внутренних факторов, возникает необходимость в резервировании энергии для энергоснабжения потребителей в периоды неблагоприятных условий работы, когда выработка электроэнергии ФЭУ снижается или полностью отсутствует.
Проблема резерва электроэнергии особенно остро проявляется при использовании работающих вне централизованной сети энергообеспечения автономных фотоэлектростанций малой и средней мощности. Традиционно в таких случаях в качестве резервного источника электроэнергии используются химические источники тока (ХИТ), входящие в состав ФЭУ. Однако в силу своих внутренних особенностей ХИТ не допускают снижения уровня накопленной в них энергии ниже критического значения, при этом восполнение
израсходованной энергии осуществляется за счет части энергии, вырабатываемой ФЭУ. Но в реальных условиях работы существует вероятность продолжительных периодов с низким уровнем освещенности, когда текущие значения напряжения и тока вырабатываемой ФЭУ энергии недостаточны для зарядки ХИТ, и тогда только энергоемкость ХИТ определит продолжительность непрерывного энергоснабжения потребителей.
Наглядно режимы работы фотобатареи (ФБ) совместно с ХИТ можно проиллюстрировать с помощью типичной вольтамперной характеристики ФБ (см., например, [1]), приведенной в упрощенном виде на рис. 1. Устойчивое энергоснабжение потребителей, по мнению авторов цитируемой работы, обеспечивается ФБ при уровнях освещенности, соответствующих режиму работы ФБ в области 1, расположенной выше линии ОА - прямой максимальной мощности ФБ. При уровнях освещенности, соответствующих области 2, расположенной ниже прямой максимальной мощности, ФБ
© В. А. Дзензерский, С. В. Плаксин, Н. Е. Житник, Л. М. Погорелая 2009 р.
иф(1ф)
0 1кз 1ф
Рис. 1. Вольтамперная характеристика фотобатареи
не в состоянии обеспечить потребителей электроэнергией заданного качества, и эту функцию берет на себя ХИТ. Решить эту задачу в данной работе предлагается путем рационального использования энергии, генерируемой ФБ при низких уровнях освещенности -в области 2.
Цель данной работы - разработать такой метод зарядки химического источника тока, который позволит использовать электроэнергию с недостаточными для стандартной зарядки параметрами, вырабатываемую фотоэлектрической установкой при неблагоприятных условиях ее работы.
Метод использует принцип энергосберегающих импульсных технологий, заключающийся в порционном отборе от ФЭУ энергии любого качества и количества, накоплении ее в промежуточных пассивных накопителях и последующей передаче на заряжаемый ХИТ в виде сформированных зарядных импульсов заданных амплитуды и длительности.
Зарядка химических источников тока с использованием пассивных накопителей электроэнергии
Известные из литературы работы по применению конденсаторов и катушек индуктивности в качестве промежуточных накопителей описывают технические решения, предполагающие либо отбор энергии от всех элементов фотобатареи в общий конденсатор [2], либо от каждого элемента на отдельный конденсатор с последующей поочередной передачей ее в индуктивность [3]. И в том и другом случае для обеспечения эффективного отбора энергии от ФБ необходимо согласование внутреннего сопротивления ФБ с внутренним сопротивлением конденсатора, который является для нее нагрузкой.
Для точки максимальной мощности ФБ, определяемой из ее вольтамперной характеристики, емкость накопительного конденсатора должна удовлетворять условию [2]
C >
I к
•тт
0,03U„
(1)
где I
кз тах
- ток короткого замыкания ФБ при макси-
ная длительность включенного состояния конденсатора, или время его заряда; ихх - напряжение холостого хода ФБ.
В соответствии с выражением (1) конкретным значениям тока и напряжения ФБ должно соответствовать конкретное значение емкости конденсатора, и именно оно отвечает за условия согласования ФБ с конденсатором как с нагрузкой. В связи с этим в системах отбора такого типа оптимальное согласование нагрузки с фотобатареей осуществляется в сравнительно узком интервале изменения напряжений и то-ков ФБ, который определяется из выражения
I
C > 1СБ
т т
AU
(2)
где 1СБ - текущее значение тока ФБ при данном уровне освещенности ФБ; Ди - максимально допустимое отклонение напряжения ФБ от точки максимальной мощности.
При рассогласовании фотобатареи и нагрузки эффективность работы ФБ резко снижается в соответствии с выражением [4]
П =
Rh
rh + rbh
(3)
мальном уровне освещенности; т
В тах
максималь-
где П - КПД ФБ, ЯН и ЯВН - сопротивления нагрузки и фотобатареи соответственно.
Таким образом, из анализа технических решений [2, 3] следует, что при их реализации диапазон осве-щенностей, при которых фотобатарея используется наиболее эффективно, ограничивается областью 1 на рис. 1.
В предлагаемом нами техническом решении для минимизации влияния рассогласования ФБ и нагрузки на КПД фотобатареи и более эффективного отбора энергии от фотобатареи при низких уровнях освещенности в качестве нагрузки ФБ используется блок низковольтных суперконденсаторов, коммутируемых по определенному алгоритму в зависимости от уровня освещенности фотобатареи и, следовательно, величины ее внутреннего сопротивления ЯВН.
Как видно из блок-схемы, приведенной на рис. 2, роль промежуточных накопителей энергии, как и в вышеописанных технических решениях, выполняют индуктивность Ьн и конденсаторы Сс и Сн, из которых система контроля и управления, работающая по заданному алгоритму, образует зарядно-разрядные энергетические контуры. С помощью этих контуров накопленная энергия, отобранная от ФБ, формируется в зарядно-разрядные импульсы заданных длительности и амплитуды для зарядки химического источника тока, или аккумуляторной батареи (АБ). Схема управления элементами системы коммутации, которые для простоты изображены ключами К1-К5, на блок-схеме не приведена, поскольку имеет множество вариантов схемотехнического исполнения.
Управление режимами работы блока суперконденсаторов заключается в том, что суперконденсаторы при подключении к ФБ для зарядки соединяются по
74
ISSN 1607-6761
«Електротехтка та електроенергетика» №2, 2009
Система контроля и управления
К1
К2
КЗ
К4
у.
К5
С.
-Сн
АБ
Ян
ФБ - фотобатарея; СС - блок суперконденсаторов; Ьн - накопительная индуктивность; Сн - накопительный конденсатор; АБ - батарея аккумуляторов (ХИТ); ЯнП - сопротивление нагрузки потребителя
Рис. 2. Блок-схема системы отбора энергии от фотобатареи и зарядки химического источника тока
параллельной либо последовательно-параллельной схеме в зависимости от величины снимаемого с ФБ напряжения, а при подключении для разряда к нагрузке, в качестве которой используется индуктивность ЬН, соединяются последовательно, благодаря чему удается легко осуществлять как согласование ФБ и конденсаторов по сопротивлению, так и преобразование напряжения низкого уровня на входе блока СС в напряжение высокого уровня на выходе и исключить потери энергии, которые имели бы место в случае преобразования другими методами.
Рассмотрим работу системы с кратким анализом происходящих в ней энергетических процессов.
В исходном состоянии фотобатарея, изображенная на рис. 2 как первичный источник энергии (ФБ), посредством системы контроля и управления подключена к блоку суперконденсаторов Сс. Поскольку фотобатарея эквивалентна источнику тока (что подтверждается возможностью ее работы в режиме короткого замыкания), напряжение на суперконденсаторах описывается выражением
ис =~
с С
I гзс
II ФБ
I
зс
С
■ г
зс ,
(4)
где С - емкость суперконденсаторов, подключенных к ФБ; \ФБ - текущее значение тока фотобатареи; гЗС -время зарядки суперконденсаторов; 1ЗС - постоянный ток зарядки суперконденсаторов.
Отбор энергии от ФБ и передача ее в индуктивность Ьн осуществляется до того момента, когда накопленного в индуктивности количества энергии будет достаточно для формирования с помощью накопительного конденсатора Сн зарядного импульса для ХИТ. Причем величина этого временного промежутка будет определяться энергетическими возможностями ФБ, прямо пропорционально зависящими от интенсивности солнечной освещенности, и скоростью
передачи энергии от ФБ к катушке индуктивности LH, ограниченной частотой заряда-разряда суперконденсаторов, которая не должна превышать допустимого паспортного значения на конкретный тип конденсаторов. С этой частотой производится поочередное переключение ключей К1 и К2 и порционная передача энергии от ФБ к Cc и LH для ее накопления.
Величина индуктивности LH, выполняющей функции накопителя-дозатора энергии, определяется исходя из величины требуемого напряжения заряда накопительного конденсатора Сн и длительности зарядных импульсов, подаваемых на ХИТ.
При накоплении в индуктивности заданного количества энергии замыкается ключ К3 и энергия передается в накопительный конденсатор Сн. Энергия полностью заряженного конденсатора определяется известным выражением
1 2
шс =- с ■иС
с 2 с0
(5)
где С - емкость накопительного конденсатора; Ц^ -напряжение на накопительном конденсаторе, соответствующее моменту окончания его заряда.
Необходимым условием полного заряда конденсатора, достаточного для формирования зарядного импульса ХИТ, является выполнение неравенства
ис > и
аб
(6)
где и аб = ирц
+ АЦаб; црц - напряжение разомкнутой цепи химического источника тока (АБ); АЦаб -напряжение поляризации АБ.
После выполнения условия (6) ключ К3 размыкается и замыкается ключ К4 на время г3, в течение которого на батарею аккумуляторов передается энергия
Шз =}/з2 Яаб
йг
(7)
Ь
н
где /3 - величина тока зарядного импульса, равная емкостному току, возникшему после замыкания ключа К4; ЯАБ = Яа + Яп - сопротивление АБ, состоящее из активного сопротивления Яа электролита и активных масс электродов и поляризационного сопротивления Яп.
Так как конденсатор Сн разряжается до напряжения, равного по величине иАБ, то баланс энергии с учетом неполного разряда конденсатора определится выражением
1
-1
2
^CUl= j
1
ilRAB dt + 2 CU2Ct3
+ W
(8)
где
UC
напряжение на конденсаторе Сн в момент
окончания зарядного импульса, равное по величине правой части неравенства (6); Жп - энергия потерь.
Ток зарядки АБ при разряде на нее конденсатора Сн равен
i3 = CdU2
Uc
dt
R
0- e-t3/Т
(9)
аб
где т = ЯАБС - постоянная времени цепи Сн - АБ, при этом процесс разряда накопительного конденсатора протекает при токе
UC t ,
- C0 a-t3/ Т
R
(10)
аб
С учетом этого из (8) видно, что энергия, затраченная на зарядку аккумуляторной батареи за один импульс на величину
2с(Со -ис1з )= ]%Яаб* + Ъ, (11)
2 о
меньше первоначальной энергии конденсатора, определяемой из (5).
Известно [5], что при разряде конденсатора на сопротивление напряжение на нем изменяется по закону
t / Т
Uc (t) = Uco e следовательно,
Uc (t )= Uch = Uc e
-t3 /Т
(12)
(13)
Тогда, подставив в (11) значение для и с , получим
выражение для энергии, непосредственно израсходованной на зарядку АБ за один импульс
W = 1U (l - e~2t3 /Т). (14)
После разряда накопительного конденсатора на батарею аккумуляторов напряжение на нем в конце
разряда принимает значение, равное иС,3, величина которого зависит от степени заряженности АБ. По достижении этого значения напряжения ключ К4 размыкается, замыкается ключ К3 и происходит очередной цикл заряда накопительного конденсатора, но уже не от начального значения иС = 0, а от значения ис3, при этом энергия конденсатора в момент замыкания ключа К3, то есть начальная энергия Ф 0, 1 2
а = — Сис1 и представляет собой энергию сбере-2 3
жения.
Таким образом, и при разряде Сн за время tз на АБ, и при его заряде от индуктивности Ьн происходит экономия электроэнергии, вырабатываемой ФБ и накапливаемой в катушке индуктивности, то есть достигается энергосбережение в системе электроснабжения потребителей в целом.
Длительность зарядного импульса tз, воздействующего на АБ, можно определить из выражения (9)
t3 = т ln
U,
Uc
C0— = R АБС ln- 20
r аб i3
raб i3
или
t3 = R абс ln
Uc
U А
(15)
Полученные выражения устанавливают связь между длительностью зарядного импульса, величиной зарядного тока АБ, ее сопротивлением, емкостью накопительного конденсатора Сн и величиной напряжения на нем.
Аналогичным образом получим выражение для времени заряда накопительного конденсатора Сн в виде
tЗС = тln-
E - Uc E - U2
(16)
где тзц - постоянная времени зарядной цепи 1-С; Е -напряжение на индуктивности, приложенное к конденсатору; ис3 - напряжение на конденсаторе в конце зарядного импульса.
Для формирования импульса зарядки АБ необходимо выполнение неравенства
з > (зс, (17)
что легко осуществимо, так как конденсатор Сн заряжается до напряжения иС0 не от нулевого значения,
а от начального напряжения ис3■
Таким образом, частота воздействия зарядными импульсами на батарею аккумуляторов будет определяться кинетикой электрохимического процесса зарядки. Контроль состояния АБ при ее зарядке осуществляется системой контроля и управления по значениям информационных параметров АБ, приведен-
76
ISSN 1607-6761
«Електротехтка та електроенергетика» N°2, 2009
ных в [6], а оптимизация процесса зарядки АБ производится с учетом взаимосвязи параметров батареи аккумуляторов с параметрами зарядных импульсов, описываемой выражением (15).
Для реализации метода необходимо наличие в составе ФЭУ двух химических источников тока, работающих в циклическом режиме: когда один из них разряжается на нагрузку, то есть обеспечивает потребителя электроэнергией, другой заряжается от ФЭУ и т. д. с поочередной сменой режимов их работы .
По достижении аккумуляторной батареей полной зарядки по сигналу системы контроля и управления ключ К4 размыкается, замыкается ключ К5 и заряженная аккумуляторная батарея подключается к нагрузке Янп, а другая аккумуляторная батарея, работавшая до этого на нагрузку, подключается к системе зарядки.
При работе ФБ в режимах, соответствующих осве-щенностям области 1, ключи К1-К5 переводятся в замкнутое состояние и энергия от фотобатареи поступает непосредственно в нагрузку и на АБ для ее подзарядки.
Выводы
Разработан метод зарядки химических источников тока в составе фотоэлектрических установок с использованием промежуточных пассивных накопителей электроэнергии в виде низковольтных суперконденсаторов и последующей ее порционной передачей на заряжаемый ХИТ в виде сформированных зарядных импульсов заданных амплитуды и длительности. Метод позволяет использовать электроэнергию, вырабатываемую фотоэлектрической установкой при неблагоприятных условиях ее работы с недостаточными для стандартной зарядки текущими параметрами.
Перечень ссылок
1. Богдан А. В. Проектирование автономних фотоэнергетических систем / А. В. Богдан, В. М. Спи-вак, А. Н. Шмырева, Ю. И. Якименко // Техшчна електродинамка. Тем. випуск. Силова електрошка та енергоефективнють. - Ч.2. - 2007. - С. 35-38.
2. Пат. 2195754 Российская Федерация, МПК Н02и7/ 32, Н02и7/35. Устройство и способ отбора электрической энергии от солнечной батареи / Н. К. Чер-нилевский, П. Ф. Гнатенко; Заявитель и патентообладатель Чернилевский Н. К. - № 99119111/09; заявл. 01.09.99; опубл. 27.12.02. - 8 с.
3. Пат. 10269 и УкраТна, МПК Н02и7/32, Н02и7/35. Споаб вщбору електричноТ енергп вщ сонячноТ батареТ / М. В. Чашко, О. В. Левшов, К. О. Фть; Заяв-ник i патентовласник Донецький нац.-техн. ун-т. -№ 200503035; заявл. 04.04.05; опубл. 15.11.05. Бюл. № 11. - 2 с.
4. Чирва В. П. Кремниевые планарные фотоэлектрические генераторы / В. П. Чирва, М. С. Саидов / / Гелиотехника. - 1993. - № 6. - С. 19-37.
5. Гинзбург С. Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. - М. : Высшая школа, 1967. - 388 с.
6. Житник Н. Е. Информационные параметры для реализации адаптивной зарядки вторичных химических источников тока. / Н. Е. Житник, Ю. Л. Миропольский, С. В. Плаксин, Л. М. Погорелая, И. И. Соколовский // ТКЭА. - 2008. - № 5(77). - С. 40-42.
Поступила в редакцию 11.02.09 г.
После доработки 02.04.09 г.
Запропоновано метод зарядження х'тчних джерел струму у складi фотоелектричних установок з системою промiжних накопичувачiв енергн, яка дозволяе пдвищити ефективнсть викорис-тання енергп фотоперетворювачiв в несприятливих умовах ¡х роботи.
The method of chemical current sources charging in a body of the photovoltaic power stations with the use of the intermediate energy storage system is offered; it allows improving the efficiency of photovoltaic power system use at the adverse working condition.
