DOI 10.57112/22022-50
УДК 621.311.243
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ МИКРОМОЩНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Сташко Василий Иванович
Кузнецов Алексей Анатольевич
Аннотация:
Современные тенденции построения систем электроснабжения удаленных потребителей предусматривают интенсивное использование возобновляемых источников энергии. Многие отрасли в мире развиваются в направлении энергосбережения и энергоэффективности, в связи с этим большое внимание уделяется энерготехнологическому перевооружению и использованию огромного энергетического потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В данной статье мы рассматриваем вариант электроснабжения отдельного объекта на примере мини солнечной электростанции (СЭС), находящейся в непосредственной близости от данного объекта электроснабжения. В статье представлена информация о самой СЭС и ее составляющих, необходимых для бесперебойного обеспечения качественной электроэнергией потребителей. Также рассмотрены назначение и принципы работы каждого элемента системы.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, электроснабжение удаленных потребителей, солнечная электростанция, состав СЭС, инвертор, аккумулятор, контроллер заряда, солнечная батарея, микромощные источники питания.
Основным элементом солнечной электростанции является солнечная батарея. Она представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.
Явление фотоэффекта реализовано в электронном приборе – фотоэлементе, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Существует два вида фотоэлементов по принципу действия – электровакуумные и полупроводниковые их действие основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Наиболее широкое распространение сегодня получили солнечные батареи на основе монокристаллических и поликристаллических фотоэлектрических элементов [1].
Согласно классификации [2] солнечных электростанций, их можно разделить по мощности на несколько групп:
1. СЭС – мощность массива солнечных панелей 1 МВт и выше;
2. МиниСЭС – мощность от 15 кВт до 1 МВт;
3. МикроСЭС – мощность от 100 Вт до 15 кВт;
4. НаноСЭС – мощность 10 Вт–100 Вт;
5. ПикоСЭС – мощность 0,1 Вт–10 Вт.
Удалённые объекты, как правило, имеют небольшую установленную мощность. Для электроснабжения объектов мощностью, например, от 100 кВт, экономически будет более выгодно строительство ЛЭП (линия электропередачи) протяженностью в несколько километров. Что касается электроснабжения удаленных потребителей небольшой мощности, от 1 до 15 кВт, то для них наиболее выгодным будет использование МикроСЭС – микромощной солнечной электростанции. При этом, чем дальше от централизованной сети будет находиться потребитель, тем более эффективным будет электроснабжение от собственного источника электроэнергии.
Микромощная солнечная электростанция включает в себя следующие стандартные элементы:
- массив солнечных панелей;
- контроллер заряда;
- инвертор DC-AC (преобразует напряжение постоянного тока в переменное синусоидальное напряжение);
- аккумуляторная батарея.
На рисунке 1 представлены элементы солнечной электростанции.
Рисунок 1 – Состав микромощной СЭС
Далее рассмотрим, как работает эта система. При попадании солнечных лучей на солнечную панель происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. После этого электроэнергия через контроллер направляется на зарядку аккумулятора. При изменении положения солнца или закрытии его облаками также меняется напряжение на выходе с солнечной батареи, поэтому контроллер регулирует уровень напряжения, передаваемого для зарядки аккумулятора. Далее от аккумулятора через инвертор осуществляется питание потребителя электроэнергии.
Выбор количества солнечных элементов для солнечной батареи зависит от многих факторов. Прежде всего это потребляемая мощность объекта электроснабжения. Необходимо таким образом выбрать солнечную батарею, чтобы ее мощности хватало не только на электроснабжения потребителя, но и для одновременной зарядки аккумуляторных батарей. Также в зависимости от аккумуляторных батарей выбирается и схема спайки солнечных элементов для достижения заданного напряжения на выходе солнечной батареи. Чаще всего это 12 В или 24 В, опять же зависит от потребляемой мощности. Чем она выше, тем целесообразней использование более высокого напряжения аккумуляторных батарей.
У автономных СЭС номинальное напряжение солнечных батарей должно соответствовать напряжению накопителей электроэнергии, в качестве которых используются различные типы аккумуляторных батарей. Аккумуляторы могут соединяться параллельно, при этом их емкость увеличивается, или последовательно, увеличивая напряжение с 12 до 24, 36, 48 В [3].
Очень важным элементом любой солнечной электростанции является контроллер заряда. Правильный выбор контроллера заряда обеспечит нормальный режим работы всей системы [4]. Солнечные батареи нельзя подключать непосредственно к аккумуляторным батареям, так как интенсивность солнечного излучения в течении дня может изменяться, что влияет на значение рабочего напряжения, которое имеет довольно значительный диапазон. Поэтому, для качественной коммутации и функционирования фотоэлектрических систем применяются контроллеры заряда – специальные электронные устройства, выполняющие следующие задачи [5]:
1. Обеспечение нормального режима работы и зарядки аккумуляторной батареи;
2. Контроль энергопотребление нагрузки;
3. Ограничение возможности энергопотребления солнечной панелью в условиях отсутствия освещенности и перехода солнечной панели в режим потребления энергии.
Основная задача солнечного контроллера - обеспечить оптимальный режим зарядки аккумулятора (ток и уровень напряжения), соответствующие типу аккумулятора и его состоянию. По принципу работы контроллеры заряда можно разделить на две основные группы: PWM - для понижения заряжающего тока при максимальных нагрузках; МРРТ – достаточно сложное электронное устройство, оптимизирующее ток заряда в зависимости от тока и напряжения на выходе солнечной панели.
Для автономной системы электроснабжения небольшой мощности, целесообразно выбирать зарядный контроллер, который можно настроить в зависимости от типа и емкости аккумулятора, а также других параметров зарядки, рекомендованных производителями аккумуляторов. В случае необходимости высокой эффективности солнечной электростанции, можно применять более сложные системы, например, с использованием трекеров – устройств отслеживающих положение солнца. Солнечные трекеры способны повысить эффективность СЭС до 50 %. Максимальные расчетные значения увеличения выработанной модулем мощности для одноосной системы составляют около 35 %, для двухосной – до 55 % [3].
Так как большинство потребителей питается от сети переменного тока напряжением 220 В, в системе необходимо установить инвертор, который будет преобразовывать постоянный ток аккумуляторной батареи в переменный ток.
Говоря об устройстве солнечных инверторов, следует отметить, что их конструкция может предусматривать как автономную работу, так и совместную работу с внешней сетью. Во втором случае, такой инвертор называют сетевым. Объединенные инверторы, в составе которых и сетевой и автономный инвертор, называют гибридными инверторами. Для построения трехфазных сетей, как правило объединяются три однофазных инвертора.
После выбора и установки всех вышеперечисленных элементов, нормальное функционирование микромощной солнечной электростанции будет обеспечено как в светлое, так и в тёмное время суток. Важно учитывать и тот факт, что чем больше потребляемая мощность, тем больший запас энергии должен накоплен в аккумуляторных батареях, т.е., их ёмкость должна быть соответствующей.
Список использованной литературы:
1. Жабин, Н. И. Солнечная энергия - энергия будущего / Н. И. Жабин, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 203-206. – EDN WFEQOJ.
2. Овчаров, М. О. Классификация солнечных электростанций по установленной мощности солнечных модулей / М. О. Овчаров, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 245-253. – EDN ULMUMV.
3. Хомутов, С. О. Исследование основных режимов работы и элементов конструкции фотоэлектрических систем для построения микромощной солнечной электростанции / С. О. Хомутов, В. И. Полищук, В. И. Сташко // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – Т. 330. – № 1. – С. 153-164. – DOI 10.18799/24131830/2019/1/61. – EDN YXRGLR.
4. Иванов, К. Д. Использование солнечной энергии для автономных источников электроснабжения / К. Д. Иванов, Е. А. Чабанов // Вестник Академии управления и производства. – 2022. – № 1. – С. 288-294. – EDN OLESGQ.
5. Макаров, В. В. Разработка контроллера заряда аккумуляторной батареи LTO с использованием солнечной панели / В. В. Макаров, А. Н. Добринов // Вопросы устойчивого развития общества. – 2022. – № 8. – С. 865-868. – EDN EHGJNF.
Информация об авторах
Сташко В. И. – к.т.н., доцент, Кузнецов А. А. – студент группы 8Э(з)-01, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
-