Автономные энергетические установки с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
АВТОНОМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК …………………………….. 12
1.1 Структурные схемы автономных фотоэлектрических энергетических
установок …………………………………………………………………………………………………….. 12
1.2. Характеристики и режимы эксплуатации солнечных и аккумуляторных
батарей ………………………………………………………………………………………………………… 14
1.3 Энергопреобразующие устройства установок с фотоэлектрическими
преобразователями солнечной энергии …………………………………………………………. 27
1.4 Способы повышения энергетической эффективности установок с
фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии ………………………… 32
Выводы по главе 1 ……………………………………………………………………………………….. 35
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
АВТОНОМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
……………………………………………………………………………………………………………………….. 37
2.1 Методы определения параметров и характеристик автономных
фотоэлектрических энергетических установок ……………………………………………… 37
2.2 Методика проектирования автономных энергетических установок,
основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика
инсоляции ……………………………………………………………………………………………………. 42
2.3 Сравнительный анализ энергетической эффективности и параметров
автономных фотоэлектрических энергетических установок ………………………….. 50
Выводы по главе 2 ……………………………………………………………………………………….. 54
ГЛАВА 3. CИСТЕМЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ
СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ ………………………………………………………………………………… 56
3.1 Преобразователи мощности солнечных батарей………………………………………. 56
3.2 Способы регулирования максимума мощности солнечных батарей …………. 64
3.3 Моделирование систем экстремального шагового регулирования мощности
солнечной батареи ……………………………………………………………………………………….. 69
Выводы по главе 3 ……………………………………………………………………………………….. 84
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С
ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ШАГОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ
СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ……………………………………………………………………………….. 86
4.1 Автономная фотоэлектрическая энергетическая установка с экстремальным
шаговым регулированием мощности солнечных батарей………………………………. 86
4.2 Разработка контроллера заряда с экстремальным шаговым регулированием
мощности солнечных батарей ………………………………………………………………………. 90
4.3 Экспериментальные исследования энергетической эффективности
АФЭУ- 0,5 ……………………………………………………………………………………………………. 98
Выводы по главе 4 ……………………………………………………………………………………… 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 119
ПРИЛОЖЕНИЕ А …………………………………………………………………………………………. 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ………………………………………………………………………………………….. 129
Коэффициент преобразования падающей солнечной энергии современных автономных фотоэлектрических энергетических установок не превышает 5 -10%. В ясную, солнечную погоду на каждый квадратный метр площади, перпендикулярной к солнечному вектору, падает до 1 кВт солнечной энергии, но с выхода автономных фотоэлектрических энергетических установок к потребителю поступает значительно меньшее количество энергии. Факторами, уменьшающими количество преобразованной энергии, являются невысокий КПД, широко используемых в наземных энергетических установках кремниевых солнечных батарей (СБ) (монокристаллические 17–23%, поликристаллические 12–15%, аморфные 6–8%), и недоиспользование генерирующих возможностей солнечной батареи.
Недоиспользование энергии солнечных батарей до 30% объясняется отсутствием у большинства автономных фотоэлектрических энергетических установок (АФЭУ) систем регулирования максимума мощности СБ, хотя целесообразно их использование при проектировании и создании АФЭУ, как с подвижными (система автоматического наведения СБ на Солнце), так и неподвижными солнечными батареями.
Известен ряд способов экстремального регулирования мощности (ЭРМ) солнечных батарей, но в настоящее время не исследовано преимущество какого- либо из них в отношение систем на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Также не определено оптимальное соотношение параметров системы ЭРМ СБ.
Для определения структуры и параметров фотоэлектрических энергетических установок существует ряд методик, представленных в основном на сайтах производителей. Эффективность и адекватность результатов таких методик ничем не подтверждена и зачастую направлена на увеличение размеров и стоимости АФЭУ с целью искусственного завышения цены и получения выгоды.
5
В настоящей диссертационной работе поставлена и решена задача повышения энергетической эффективности автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии за счет реализации экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей и расчета параметров АФЭУ с учетом энергобаланса и статистических значений графика инсоляции конкретной местности.
Объект и предмет исследования
Предметом исследования является способ экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей и методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок.
Цель и задачи диссертационного исследования
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности автономной фотоэлектрической энергетической установки с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Объектом исследования являются автономные энергетические установки на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
исследовать структуры автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей;
провести анализ методов расчета технических параметров автономных фотоэлектрических энергетических установок;
разработать методику проектирования АФЭУ на основе расчета энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности;
провести анализ способов и алгоритмов регулирования экстремума мощности солнечных батарей;
6
разработать систему экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей;
разработать и изготовить контроллер заряда аккумуляторных батарей с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей;
провести исследования параметров экстремального регулирования мощности солнечных батарей на имитационной модели в МаtLab Simulink;
провести экспериментальные исследования и обоснование технических характеристик и параметров контроллера заряда аккумуляторных
батарей;
провести экспериментальные исследования технических
характеристик АФЭУ с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей.
Достоверность полученных результатов, в диссертации, подтверждается сравнением данных, полученных при моделировании и расчетным путем, с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
1. Предложена методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности, позволяющая оптимизировать структуру и технические параметры энергетической установки.
2. Результаты сравнительного анализа способов повышения энергетической эффективности автономных фотоэлектрических установок, подтверждающие целесообразность применения систем экстремального регулирования мощности солнечных батарей.
3. Результаты имитационного моделирования автономной фотоэлектрической энергетической установки с заданными параметрами, полученными на основе реальных экспериментальных исследований.
7
4. Получены результаты
обосновывающие рациональную величину шага ЭРМ не более 1 вольта по напряжению СБ, частоту регулирования 1-2 Гц и эффективность экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей выше 98%.
1. Разработана система экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей, обеспечивающая высокие энергетические и эксплуатационные характеристики:
– коэффициент энергетической эффективности солнечной батареи выше 98%; – устойчивый поиск точки максимальной мощности ВАХ СБ.
2. Разработан и создан контроллер заряда АБ с экстремальным шаговым
регулированием мощности солнечных батарей, обеспечивающий повышение энергетической эффективности АФЭУ до 30%.
3. Получены практические результаты для расчета технических характеристик контроллера заряда аккумуляторных батарей с ЭРМ СБ и методики проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок.
4. Предложены практические рекомендации по проектированию и эксплуатации фотоэлектрических энергетических установок.
Практическая ценность подтверждена патентами на полезную модель и изобретения.
1. Шиняков Ю.А. Автоматизированная фотоэлектрическая установка с
повышенной энергетической эффективностью/ Ю.А. Шиняков, Ю.А. Шурыгин,
В.В. Аржанов, А.В. Осипов, О.А. Теущаков, К.В. Аржанов// Доклады ТУСУРа. –
2011.- № 2 (24), часть 1.- С. 282-287.
2. Никулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.:
Сов. радио, 1980. – 264 с.
3. Все о солнечных батареях и энергии солнца: виды солнечных батарей
[Электронный ресурс]/ Электрон. текстовые дан. – 2015.- Режим доступа:
http://www.solnpanels.com/vidy-solnechnyh-batarej/ свободный.
4. RenEn: Солнечная энергетика: крупнейшие производители поликремния и
прогноз на 2018 год. [Электронный ресурс]// Электрон. текстовые дан. – 2018.-
Режим доступа: http://renen.ru/solar-energy-the-largest-polysilicon-producers-and-the-
forecast-for-2018/, свободный.
5. SWW-Energy: Тонкопленочные солнечные батареи. [Электронный ресурс]/
Электрон. текстовые дан. – 2016.- Режим доступа: http://sww-energy.ru/solnechnye-
batarei/12-tonkoplenochnye-solnechnye-batarei.html, свободный.
6. Солнечные батареи: Полимерные солнечные батареи и их преимущества
[Электронный ресурс]// Электрон. текстовые дан. – 2018.- Режим доступа:
http://solarb.ru/polimernye-solnechnye-batarei-i-ikh-preimushchestva, свободный.
7. Солнечные батареи альтернативные источники энергии: Арсенид-
галлиевые солнечные батареи. [Электронный ресурс]// Электрон. текстовые дан. –
2018.-Режимдоступа:http://www.solar-battery.com.ua/arsenid-gallievyie-
solnechnyie-batarei/, свободный.
8. Контроллер заряда автономных фотоэлектрических энергетических
установок / А.И. Отто // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность:
Труды XIV международного студенческого научно – технического семинара. г.
Томск, 24-27 апреля 2012 г. – Томск: ТПУ, 2012 – т. 1. С. – 211-215.
9. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с
англ. / Г. Раушенбах. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 360 с.
10.ВасильевА.М.,ЛандсманА.П.Полупроводниковые
фотопреобразователи / А.М. Васильев, А.П. Ландсман. – М.: Сов. радио, 1971. –
246 с.
11. Исследование энергетической эффективности солнечных батарей при
недостаточной освещенности и температурной нестабильности фотоэлектрических
элементов / Отто А.И. // Научная сессия ТУСУР: Материалы Всероссийской
научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. г.
Томск, 16 -18 мая 2012 г. – Томск: Том. гос. ун-т систем управления и
радиоэлектроники. – 2012. – С. 179-182.
12. Влияние интенсивности света и температуры на параметры кремниевых
фотопреобразователей / С.Н. Борисов, С.М. Городецкий, Г.М. Григорьева, К.Н.
Звягина, А.М. Касымахунова // Гелиотехника. – 1983. – №4.
13. Кудряшов В.С. Концепция бортовой системы электроснабжения связного
геостационарного ИСЗ / В.С. Кудряшов, Ш.Н. Исляев // Системы автономного
электроснабжения и электромеханические устройства. Т.1. Аппаратура управления
и преобразования энергии: Сб. науч. трудов НПО «Полюс». – Томск, 1992. – С. 17 –
24.
14. Автономная энергетическая установка с экстремальным шаговым
регулятором мощности солнечных батарей / Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, А.В.
Осипов, М.М. Черная // Альтернативная энергетика и экология – 2015. – № (8-9) –
С. 12-18.
15. Все о релейной защите: Режим работы аккумуляторных батарей
[Электронный ресурс]// Электрон. текстовые дан. – 2009.- Режим доступа:
http://rza.org.ua/elteh/read/211–Rezhim-raboti-akkumulyatornih-batarey_211.html,
свободный.
16. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока / В.С.
Багоцкий, А.М., Скундин. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 360 с.
17. Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. [Электронный ресурс] //
Электрон.текстовыедан.–2018.–Режимдоступа:
http://www.powerinfo.ru/accumulator-nicd.php, свободный.
18. Энциклопедия по машиностроению XXL: Аккумуляторы никель-
железные [Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. – 2016.– Режим
доступа: http://mash-xxl.info/info/267021, свободный.
19. Гелевая технология [Электронный ресурс]// Электрон. текстовые дан. –
2016.– Режим доступа: https://www.varta-automotive.ru/ru-ru/technology/gel-battery-
technology, свободный.
20. FLEXmaxChargeControllers. [Электронный ресурс]// Электрон. текстовые
дан. – 2016.– Режим доступа: http://www.outbackpower.com/forum/viewforum.php,
свободный.
21. АльтЭко: Контроллеры заряда. [Электронный ресурс] Электрон.
текстовые дан. – 2013. – Режим доступа: http://www.altecology.ru/kontrollery-
zaryada/outback, свободный.
22. MPPТ контроллеры: Что такое МРРТ контроллеры. [Электронный ресурс]
//Электрон.текстовыедан.–2016.–Режимдоступа:
http://www.solarhome.ru/ru/control/mppt, свободный.
23. SunSaver MPPT. [Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. – 2015.
– Режим доступа: http://www.morningstarcorp.com/en/sunsavermppt, свободный.
24. INVETRA: Высокоэффективный контроллер заряда MorningstarTriStar-
MPPT. [Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. – 2004. – Режим доступа:
http://www.inverta.ru/ms//1//11, свободный.
25.SOLNECHNYE.RU: О контроллере Tracer-2215RN. [Электронный
ресурс]//Электрон.текстовыедан.–2012.–Режимдоступа:
http://www.solnechnye.ru/news/otzyv-o-controllere-zaryada-MPPT-Epsolar-Tracer-
2215RN.htm, свободный.
26. Продукция: Контроллеры заряда [Электронный ресурс] // Электрон.
текстовые дан. – 2014. – Режим доступа: http://www.solarroof.ru/products/54,
свободный.
27. Контроллер EPSolar Tracer-2215RN MPPT [Электронный ресурс] //
Электрон.текстовыедан.–2014.–Режимдоступа:http://helios-
resource.ru/kontroller-epsolar-tracer-2215rn-mppt-1224v-20a.html, свободный.
28. EcoVolt: Солнечные батареи и необходимое оборудование. [Электронный
ресурс]//Электрон.текстовыедан.–2014.–Режимдоступа:
http://ecovolt.ru/catalog/Kontrollery_solnechnye/kontroller_zaryada_steca_solarix_mpp
t_2010, свободный.
29. Солар Грид: StecaSolarix MPPT 1010. [Электронный ресурс] // Электрон.
текстовыедан.–2014.–Режимдоступа:
http://solargrid.ru/magazin?mode=folder&folder_id=16493406, свободный.
30. StecaSolarix MPPT. [Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. –
2015. – Режим доступа: http://www.steca.com/index.php?Steca_Solarix_MPPT_en,
свободный.
31. Солнечный контроллер ProsolarSunStar MPPT. [Электронный ресурс] //
Электрон.текстовыедан.–2015.–Режимдоступа:
http://www.prosolar.ru/ru/component, свободный.
32. Электростанции. [Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. –
2015. – Режим доступа: http://www.electrogid.ru/kontroller_zaryada_prosolar_sunstar,
свободный.
33. ProsolarSunStar MPPT SS-40CX 40А Контроллер заряда. [Электронный
ресурс] // Электрон. текстовые дан. – 2013. – Режим доступа: http://energy-
plus.opt.ru/good/1213814, свободный.
34. Xantrex XW-MPPT 60-150. [Электронный ресурс] // Электрон. текстовые
дан. – 2013. – Режим доступа: http://www.solarinntech.ru/products/detail.php?ID=220,
свободный.
35. Контроллер заряда EPSolarTracer 2215 RN 12/24 В 20 А. [Электронный
ресурс]//Электрон.текстовыедан.–2012.–Режимдоступа:
http://ingenerdom.ru/catalogue_goody-goody_id-518.html, свободный.
36. Groumpos P.P., Papageorgiou G. (1987) An optimal sizing method for stand-
alone photovoltaic power systems. Solar Energy., v. 38, 5, pp. 341-351.
37. Hybrid2. (1996). The Hybrid System Simulation Model. Theory Manual.
University of Massachusetts. Amherst, Massachusetts. 195 pp.
38. Chapman R.N. (1987) A simplified technique for designing least cost stand-
alone pv/storage systems. 19th IEEE Photovolt Spec. Conf., New Orleans, 1987. – NY,
pp.1117-1121.
39. Groumpos P.P., Papageorgiou G. (1987) An optimal sizing method for stand-
alone photovoltaic power systems. Solar Energy., v. 38, 5, pp. 341-351.
40. Ashenayi K., Ramakumar R. (1986). Design of solar energy systems for
supplying power to remote communications centers. INTELEC 86: Int. Telecommun.
Energy Conf., Toronto, pp 325 – 332.
41. Охоткин Г.П. Методика расчета мощности солнечных электростанций/
Г.П. Охоткин // Вестник Чувашского университета. – 2013.- № 3.- С. 222-230.
42.ИродионовА.Е.Реверсивно-балансовыйметодпроектирования
автономных солнечных фотоэлектрических установок: дис. … кандидата
технических наук : 05.14.08 / Всерос. НИИ электрофикации сельского хозяйства. –
Москва, 2000. – 23 с.
43.ИванчураВ.И.Имитационнаямодельавтономнойсистемы
электропитания/ В.И. Иванчура, Ю.В. Краснобаев, С.С. Пост// Известия Томского
политехнического университета. Инжиниринг георесурсов – 2014. – Т.325 №4.- С.
111-120.
44. Типы свинцово-кислотных аккумуляторов [Электронный ресурс] //
Электрон.текстовыедан.–2013.–Режимдоступа:
http://www.solarhome.ru/basics/batteries/batteries.htm, свободный.
45. AbdEssalamBadoud, Mabrouk KHEMLICHE Modeling, design and
simulation of stand-alone photovoltaic power systems with battery storage. Leonardo
Journal of Sciences, 2013.
46.Фотоэлектрическиесистемы.Перспективы.Состав.Параметры
[Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. – 2013. – Режим доступа:
http://pochit.ru/fizika/32633/index.html, свободный.
47. Аналитика [топ-10]: Топ-10 солнечных электростанций [Электронный
ресурс]//Электрон.текстовыедан.–2016.–Режимдоступа:
http://topneftegaz.ru/analisis/view/7620.
48. Шиняков Ю.А. Автономная фотоэлектрическая энергетическая установка
/ Ю.А. Шиняков, Ю.А. Шурыгин, В.В. Аржанов, О.А. Теущаков, А.В. Осипов, К.В.
Аржанов // Доклады ТУСУРа. – 2011.- № 2 (24), часть 1.- С. 283.
49. Gulin M., Pavlovic T., Vasak M. Photovoltaic panel and array static models for
power production prediction: Integration of manufacturers’ and on-line data. Journal of
Renewable Energy, 2016, 97, pp. 399-413.
50. Осипов А. В. Сопоставительный анализ энергетической эффективности
преобразования энергии солнечной батареи преобразователями постоянного
напряжения/ А.В. Осипов, Ю.А. Шурыгин, Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, М.М. Черная
//Доклады Томского государственного университета систем управления и
радиоэлектроники. – 2013. – №. 1 (27).
51. Привалов В.Д. Оценка эффективности применения экстремального
регулятора в автономных СЭП / В.Д. Привалов, В.Е. Никифоров. – Куйбышев:
КПИ, 1981. – 16 с.
52. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. – Новосибирск: Изд-во
НГТУ, 2003. – 664 с.
53. All About Maximum Power Point Tracking (MPPT) Solar Charge Controllers
[Электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. – 2013. – Режим доступа:
https://www.solar-electric.com/mppt-solar-charge-controllers.html, свободный.
54. GEOS24705/Solar Photovoltaics [Электронный ресурс] // Электрон.
текстовыедан.–2011.–Режимдоступа:
http://geosci.uchicago.edu/~moyer/GEOS24705/2011/Notes/SolarPhysics.pdf,
свободный.
55. Rahmani R. et al. Implementation of fuzzy logic maximum power point
tracking controller for photovoltaic system //Am. J. Applied Sci. – 2013.
56. Egiziano L. et al. Performances improvement of maximum power point
tracking perturb and observe method //Proc. of IASTED International Conference on
Advanced Technology in the Environmental Field (ATEF 2006), Lanzarote, Spain. –
2006.
57. Hohm D. P., Ropp M. E. Comparative study of maximum power point tracking
algorithms using an experimental, programmable, maximum power point tracking test
bed //Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-
Eighth IEEE. – IEEE, 2000. – С. 1699-1702.
58. Hohm D. P., Ropp M. E. Comparative study of maximum power point tracking
algorithms //Progress in photovoltaics: Research and Applications. – 2003. – Т. 11. – №.
1. – С. 47-62.
59. Tung Y. M., Hu A. P., Nair N. K. Evaluation of micro controller based
maximum power point tracking methods using dSPACE platform //Australian university
power engineering conference. – 2006.
60. Шиняков Ю. А. Экстремальное регулирование мощности солнечных
батарейавтоматическихкосмическихаппаратов//ВестникСамарского
государственного аэрокосмического университета им. академика СП Королева
(национального исследовательского университета). – 2007. – №. 1.
61. Шиняков Ю.А. Повышение энергетической эффективности автономных
фотоэлектрических энергетических установок / Ю.А. Шиняков, Ю.А. Шурыгин,
О.Е. Аркатова // Доклады Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники.
– 2010. – № 2 (22), ч. 2. – С. 102–107.
62. Солнечное фотоэлектрическое устройство/ Аржанов В.В.(RU), Теущаков
О.А., Шиняков Ю.А., Аржанов К.В., Отто А.И.// Патент на полезную модель
№:128781 от 27.05.2013.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!