CC BY
0ПОВЫШЕНИЯ КПД АВТОНОМНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Мамадалиев Жахонгир Хамиджон угли
Докторант Наманганский инженерно-технологический институт Иззатуллаев Иномжон Хусанбой угли Преподователь Наманганский инженерно-технологический институт https://doi.org/10.5281/zenodo.8034716
Аннатация: Приведены результаты проектирования автономной фотоэлектрической энергетической установки с максимальной выходной мощностью 1,5 кВт с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и их автоматическим слежением за солнцем.
Ключевые слова: Автономная фотоэлектрическая энергетическая установка, солнечная батарея, аккумуляторная батарея, энергетическая эффективность, экстремальное регулирование мощности, автоматическое слежение за солнцем.
INCREASED EFFICIENCY AUTONOMOUS PHOTOVOLTAIC INSTALLATION
Abstract: The results of designing an autonomous photovoltaic power plant with a maximum output power of 1.5 kW with extreme regulation of the power of solar panels and their automatic tracking of the sun are presented.
Keywords: Stand-alone photovoltaic power system, solar panel, battery, energy efficiency, extreme power control, automatic tracking at the sun.
ВВЕДЕНИЕ
Создание высокоэффективных автономных фотоэлектрических энергетических установок (АФЭУ) в первую очередь определяется использованием источников тока (солнечных и аккумуляторных батарей) с улучшенными технико-экономическими показателями. Однако даже при самых совершенных источниках энергии, энергетическая установка может обладать невысокими энергетическими характеристиками из-за нерационального использования их возможностей. Поэтому, при проектировании высокоэффективных автономных фотоэлектрических энергетических установок, должна решаться задача как разработки (использования) солнечных батарей (СБ) с повышенным КПД и аккумуляторных батарей (АБ) с улучшенными техническими характеристиками, так и задача системного проектирования фотоэлектрических систем и энергетических установок с целью повышения их энергетической эффективности [1].
В статье [2] показано, что основными способами повышения энергетической эффективности АФЭУ являются реализация режима отбора мощности в оптимальной рабочей точке вольт-амперной характеристики солнечной батареи в течение всего срока эксплуатации (реализация режима экстремального регулирования мощности солнечных батарей) и реализация режима непрерывного (непрерывно-дискретного) автоматического слежения солнечных батарей за Солнцем. Одновременная реализация этих способов регулирования позволяет повысить энергетическую эффективность АФЭУ не менее чем на 30 %. Степень повышения энергетической эффективности зависит от широты местоположения, а также текущих условий эксплуатации энергетической установки (освещенности и температуры солнечных батарей).
Основные детали конструкции: рама с четырьмя фотоэлектрическими модулями КСМ-160 (КСМ-170 или КСМ-180, имеющие одинаковые размеры); подвижный каркас;
неподвижный каркас; два редуктора; два шаговых двигателя типа ШД-5Д; два датчика положения Солнца, четыре конечных выключателя. Неподвижный каркас установки состоит из стальной сварной рамы, состоящей из четырех уголков и профильных трубчатых элементов с четырьмя угловыми опорами и одной центральной опоры, в которой установлен вращающийся вал. Вращение вала обеспечивается за счет шагового двигателя через червячный редуктор и цилиндрическую зубчатую передачу. Подвижный каркас установки состоит из стальной сварной рамы, с закрепленной на ней ведомой шестерней, которая связана с центральным валом нижнего опорного узла шпоночным соединением для обеспечения вращения установки вокруг вертикальной оси. На этом же каркасе закреплены две дуги, на которых установлена ось вращения рамы, которая через муфту и редуктор соединена с шаговым двигателем, обеспечивающим поворот рамы по углу места.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве силовых механизмов обеспечивающих поворот фотоэлектрической установки используются червячные редукторы с передаточными отношениями 1:250 (по азимуту) и 1:1000 (по углу места), что позволяет использовать шаговые двигатели с номинальным вращающим моментом нагрузки 0,1 Нм. Червячные редукторы позволяют исключить самопроизвольное изменение положения установки под действием ветровой нагрузки. Ограничение предельных (заданных по техническому заданию) углов поворота АФЭУ по азимуту и углу места обеспечивается конечными выключателями, закрепленными на раме неподвижного каркаса установки и программным обеспечением контроллера наведения на Солнце.
Функциональная схема автономной фотоэлектрической энергетической установки приведена на рис. 2, где СБ - солнечная батарея; КЗРАБ - контроллер заряда-разряда АБ; И - инвертор; АБ1, АБ2 - аккумуляторные батареи; М1, М2 - шаговые двигатели; Р1, Р2 -редукторы; ДШД1, ДШД2 - драйверы управления шаговыми двигателями; ДПС1, ДПС2 -датчики положения Солнца; КНС - контроллер наведения на Солнце; КВ1-КВ4 - конечные выключатели.
В энергетической установке используется: инвертор с синусоидальным выходом типа TS 1500-224 (номинальная выходная мощность 1500 Вт) и два последовательно соединенных аккумулятора типа FIAMM 12SP 235 (номинальная емкость каждого 235 Ач). Следящая система автоматического управления состоит из двух датчиков положения Солнца, контроллера наведения на Солнце, двухшаговых двигателей с редукторами, двух силовых драйверов шагового двигателя и четырех конечных выключателей. Используемый в установке датчик положения Солнца разработан и изготовлен в ТПУ и ОАО НИИ 1111 (г. Томск) и состоит из трех одинаковых фотоэлементов, два из которых стоят наклонно друг к другу, а третий соединяет их снизу. Фотоэлементы датчика называют: правый, левый и тыловой.
Контроллер наведения на Солнце состоит из микроконтроллера Atmega16, преобразователя постоянного напряжения, шести операционных усилителей, микросхемы, обеспечивающей связь по протоколу RS 485 с внешней ЭВМ. Микроконтроллер выдает на вход драйверов шагового двигателя следующие сигналы: направление вращения шаговых двигателей по координате Х (азимуту) (сигнал DIR1) и по координате Y (углу места) (сигнал DIR2), количество импульсов, которое необходимо отработать драйверами (шаговыми двигателями) по координате Х (сигнал СР1) и по координате Y (сигнал СР2).Контроллер наведения на Солнце принимает сигналы с четырех конечных
выключателей (КВ1-КВ4): Х1, Y1 и Х2, Y2 - начальные и конечные положения рамы по координате Х и Y.
Рис. 1. Функциональная схема АФЭУ
В контроллере реализованы два режима работы: режим ручного регулирования положения рамы от внешней ПЭВМ и режим автоматического слежения за Солнцем. В режиме ручного регулирования от внешней ПЭВМ любое положение рамы по обеим координатам передается в контроллер по протоколу RS 485. При этом перемещение возможно по азимуту на 360°, а по углу места 180°. Это отладочный режим.
В режиме автоматического слежения за Солнцем осуществляется точное наведение рамы на Солнце, путем измерения токов в фотоэлементах датчиков положения Солнца и перемещения рамы с помощью шаговых электроприводов по обеим координатам. Если правый и левый фотоэлемент выдают одинаковый ток, то перемещать раму с СБ не требуется, а если есть отличие, то необходимо перемещение в таком направлении, чтобы скомпенсировать эту разницу по току. Если три фотоэлемента у датчика показывают одинаковый ток, то фотодатчик (и соответственно СБ) находится в тени и перемещение рамы производить не требуется. Если тыловой фотоэлемент выдает самый больший ток, то Солнце светит с обратной стороны рамы. В этом случае необходимо развернуть раму в направлении Солнца. Указанные выше перемещения соответствует алгоритму, приведенному в таблице.
Перемещения происходят дискретно через 3° по обеим координатам, пока не выровняются сигналы в обеих плоскостях в каждом фотодатчике по обеим координатам. Допустимая погрешность (порог срабатывания) между сигналами в наклонных плоскостях фотоэлементов датчика, при которой необходимо проводить перемещение по координатам, составляет 5 % (эта величина может устанавливаться в контроллере). Введение порога срабатывания позволяет экономить энергию при перемещении рамы и предотвращать ненужный реверс в шаговых двигателях. На рис. 3 приведено рабочее окно программы управления контроллером наведения на Солнце в режимах отладки.
Таблица. Алгоритм наведения СБ на Солнце
Наведение по координате Х Направление перемещения рамы
Ia-Ib>0,05Ia Влево
Ia-Ib<0,05Ia Вправо
-0,05<Ia-Ib<0,05Ia Нет перемещения
Ia=Ib=Ic Нет перемещения (СБ в тени)
1с>1в, 1с>1а Перемещение в начальное положение
Наведение по координате У Направление перемещения рамы
¡с-1е>0,051в Вверх
¡г-1е<0,051п Вниз
-0,05<1е-1е<0,051п Нет перемещения
1п=1е = Нет перемещения (СБ в тени)
1е>1е , Ь >Ь Перемещение в начальное положение
Примечание: 1а, и1в, 1е - токи в правой и левой частях датчиков; 1с, Ъ - в
тыловой части датчиков.
В моменты отсутствия перемещения шаговые двигатели не потребляют энергии. Для уменьшения рывков и качаний при перемещении рамы в программном обеспечении контроллера заложен режим позиционирования, то есть в шаговом электроприводе идет ограничение по скорости и ускорению при перемещении рамы от одного положения к другому.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты экспериментальных исследований энергетики шаговых электроприводов на АФЭУ показали следующее: время перемещение по углу места (80°) составляет 56 с, а по азимуту (180°) 35 с при скорости вращения шаговых двигателей 200 об/мин. При этом выполняется половина суточного цикла перемещений на АФЭУ. Измеренная потребляемая мощность одного шагового двигателя ШД-5Д с силовым драйвером на установке составляет 50 Вт (мощность шагового двигателя ШД5Д по паспорту 36 Вт). Суммарная потребляе мая энергия электроприводами на установке при перемещении по азимуту и углу места с начального положения и до максимального положении и возвращения до начального положения (суточный цикл) составляет 7100 Втс или 1,97 Втч, что не превышает 1 % от суточного значения выработанной энергии.
В драйвере ДШД используется микроконтроллер STM32F103. Обмотки шагового двигателя ШД-5Д соединены в звезду и подключены к трехфазному мосту, который образован полевыми транзисторами. Драйвер ДШД задает величину минимального шага и амплитуду импульса тока в шаговом двигателе, осуществляет защиту от коротких замыканий в двигателе и выдает на контроллер наведения на Солнце сигналы готовности КОУ1, КОУ2 - готовность по координатам Х и Y. Минимальный шаг в двигателе можно задать 0,03 градуса.
Контроллер заряда-разряда аккумуляторной батареи (КЗРАБ) реализует экстремальное регулирование мощности СБ, имеет незначительное энергопотребление и повышает эффективность использования солнечной батареи до 98,0...99,5 %. В контроллере применена схема понижающего преобразователя напряжения. Основным критерием, принятым при разработке схемы контроллера является достижение максимального КПД, т. е. обеспечение минимума потерь мощности.
В результате теоретических расчетов и экспериментальных исследований определено, что оптимальная частота преобразования, позволяющая получить приемлемые массогабаритные показатели фильтров преобразователя при минимальных потерях находится в области 40.50 кГц.
Рис. 3. Рабочее окно программы управления контроллером наведения на
Солнце
Таким образом, элементом, определяющим время переходных процессов, является выходной дроссель. Поэтому при разработке программы между введением управляющего воздействия и измерением выходных параметров введена пауза длительностью более 10 мс.
ВЫВОДЫ
1. Спроектирована автономная фотоэлектрическая энергетическая установка с учетом требованием полной автономности функционирования и максимальной выходной мощностью 1,5 кВт с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и их автоматическим слежением за Солнцем.
2. Теоретически показано, что эффективность использования солнечной батареи по энергии при оптимальной освещенности должна быть не менее 95% с учетом регулирования экстремума мощности.
3. Разработанный контроллер заряда-разряда аккумуляторной батареи с экстремальным регулированием мощности имеет малое энергопотребление и повышает эффективность использования солнечной батареи до 98,0.99,5 %.
4. Контроллер наведения на Солнце, совместно с шаговыми электроприводами и датчиками положения Солнца, обеспечивает режим непрерывно-дискретного автоматического слежения за Солнцем. Для обеспечения минимального потребления энергии электроприводами дискретность перемещения выбрана 3°, а точность наведения на Солнце - 0,1°.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шиняков Ю.А. Экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автоматических космических аппаратов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева. - 2007. - Вып. 1 (12). -С.123-128.
2. Шиняков Ю.А., Шурыгин Ю.А., Аркатова О.Е. Повышение энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2010. - № 2 (22). - Ч. 2. - С. 102-107.
3. Solar Engineering of Thermal Processes. / Duffie J. A., Beckman W. A.: Wiley, 2011.
4. Кувшинов ВВ. Пат. 150121 Российская федерация; МПК Н 01 L 31/00. Фототермопреобразователь солнечной энергии / Кувшинов В. В., Башта А.И., Сафонов В. А.; патентообладатель Кувшинов В. В. - Заявка № 2014149414/93; заявл. 17.10.2014; опубл. 27.01.2015, Бюл. № 3.
5. Кувшинов В.В. Методы расчета и повышения эффективности использования теплофотоэлектрических установок / В.В. Кувшинов // Сборник научных трудов СНУЯЭ и П - 2013. - Вып. 3 (47) - С.166 - 172.
6. В.В. Кувшинов, Какушина Е.Г., Чванова Д.А. Использование фотоэлектрической установки для обеспечения бесперебойной работы автономных потребителей. Энергетические установки и технологии, Том 2, № 1., стр. 3-12, 2016.
