Дипломная работа. Семыкин Н.С._ЭЛм-1702а. Система управления резервными источниками питания
 Скачать 2.1 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт энергетики и электротехники (наименование института полностью) Кафедра «Промышленная электроника» (наименование кафедры) 11.04.04 Электроника и наноэлектроника (код и наименование направления подготовки) Проектирование интеллектуальных систем зданий и сооружений (направленность (профиль) МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ на тему Система управления резервными источниками питания Студент Н.С.Семыкин (И.О. Фамилия) (личная подпись) Научный руководитель А.В.Прядилов (И.О. Фамилия) (личная подпись) Руководитель программы _к.т.н, доцент А.А. Шевцов (ученая степень, звание, И.О.Фамилия) (личная подпись) «_____»______________________2019 г. Допустить к защите Заведующий кафедрой к.т.н., доцент А.А. Шевцов _______________ (ученая степень, звание, И.О. Фамилия) (личная подпись) «_____»_____________________20_____г. Тольятти 2019 2 Содержание Введение ................................................................................................................... 3 1. Теоретический раздел.................................................................................... 5 1.1 Основы солнечной энергетики ..................................................................... 5 1.2 Виды солнечных батарей .............................................................................. 9 1.3 Основные типы ветрогенераторов ............................................................. 24 1.4 Системы резервного питания ..................................................................... 31 1.5 Системы «умного дома» с альтернативными источниками .................... 36 2. Исследовательский раздел .......................................................................... 49 2.1 Начальные данные ....................................................................................... 49 2.2 Расчет выработки ветрогенератора для Самарской области .................. 55 2.3 Расчеты для выбора солнечных панелей для Самарской области ......... 57 2.4 Итоговый расчет .......................................................................................... 62 3. Проектный раздел ........................................................................................ 64 3.1 Выбор необходимых компонентов ............................................................ 64 3.2 Разработка и создание конструкции и программы устройства .............. 70 Заключение ............................................................................................................ 76 Список используемой литературы ...................................................................... 78 3 Введение В настоящее время почти на всей территории Российской Федерации население имеет доступ к электричеству для обеспечения энергией свои жилые помещения и электроприборы. К сожалению, не всех потребителей традиционных видов электрической энергии устраивает качество доступного сетевого напряжения питания, например постоянные кратковременные или долговременные прерывания питания в сети или его низкое качество, которое может негативно влиять на чувствительные приборы. Поэтому с целью решения вопроса постоянной доступности электроэнергии были созданы специальные резервные источники питания. Система управления резервными источниками питания – комплекс средств и методов управления, необходимых для обеспечения обеспечение бесперебойной работы всего оборудования, находящегося в доме с данной системой. Когда происходит сбой или экстренное отключение подачи электроэнергии от стационарной электросети, тогда система с резервным электроснабжением обеспечивает потребности находящихся в доме электроприборов до тех пор, пока не произойдет восстановление основного источника питания. В автономных системах питания могут использоваться различные виды источников питания, которые способны на обеспечение независимого электроснабжения от основной сети. Основным назначением у современных источников резервного питания является осуществление постоянного доступа к электричеству даже при проблемах с основным источником электроэнергии. Наиболее современные и перспективные системы резервного питания предполагают полный контроль и управление, как за источниками альтернативной энергии, так и за самой системой посредством использования беспроводных методов, так, что пользователь может удаленно наблюдать за работой всего комплекса обеспечения резервным питанием. 4 В рамках данной магистерской диссертации предполагается изучить и рассмотреть основные источники альтернативной энергии, их энергетическую эффективность в сравнении с традиционными сетями, а также сами системы обеспечения и управления резервным питанием помещений и бытовых приборов. Также предполагается разработка, создание и отладка небольшого макета устройства системы управления резервными источниками питания, который будет функционировать при помощи специального микроконтроллера и нескольких модулей управления. С помощью данного макета можно на практике продемонстрировать работу системы резервного питания с применением в качестве источников питания основные элементы альтернативной энергетики. Целью данной магистерской диссертации является создание макета системы управления резервными источниками питания на основе источников альтернативной энергии. Для достижения поставленной цели работы необходимо решить следующие задачи: Анализ основных видов источников альтернативной энергии Обзор основных видов систем резервного питания Разработка схемы макета устройства Выбор компонентов, которые будут необходимы для создания макета устройства Создание программы работы макета системы Реализация макета предполагаемой системы 5 1. Теоретический раздел 1.1 Основы солнечной энергетики В современном мире в качестве альтернативных источников энергии используют возобновляемые, экологически чистые ресурсы, впоследствии преобразуя их в электрический и тепловой вид энергии, использующейся человечеством для различных нужд. Основными источниками альтернативной энергии являются: солнечная и ветровая энергия, течения воды в реках и морях, тепло, которое можно получать с поверхности земли, а также различные виды биологического топлива, получение которого связано с жизнедеятельностью животных и растений. Уже в течение тысячелетия человечество использует энергию солнца в качестве альтернативного источника энергии, постоянно совершенствуя технологии по использованию данного вида энергии. Солнце – возобновляемый источник способный на естественное восстановление. Ее преимущества: экологическая чистота, безграничный потенциал, высокая безопасность и эффективность в использовании. «Доказано, что 1м 2 «огненного диска» выделяет почти 63 кВт энергии, что в эквиваленте соответствует мощности миллиона электрических лампочек. В целом Солнце обеспечивает Землю 80 000 млрд. кВт, а это в несколько раз превышает мощность всех существующих на планете электростанций. Вот почему применение солнечной энергии на практике является одной из главных задач для современного общества» [1]. Но даже современные ученые еще не способны напрямую потреблять солнечную энергию. Это в итоге послужило толчком к разработке специальных приборов, которые могут обеспечивать преобразование энергии солнца в электрический или тепловой вид энергии. Для первого случая используются специальные батареи – солнечные панели, для второго – 6 коллекторы для распределения солнечного тепла. В основе термовоздушной энергетике лежит метод преобразования солнечной энергии для создания воздушных потоков прямо в турбогенератор, при котором можно создавать требуемые объемы пара для работоспособности системы без присутствия света солнца. При методе фотовольтаики применяются специальные панели на фотоэлектрической базе – солнечные батареи, например, на основе кремния, которые можно располагать как угодно, с условием максимального поступления солнечных лучей. При преобразовании данного типа энергии возможно использование не только фотопластин, но и панелей на тонких пленках, преимуществами которых является их небольшая толщина, а недостатком – низкая эффективность преобразования солнечной энергии. При гелиотремальном методе поглощенный свет фокусируется в одном месте, создавая тепло для нагрева. Преобразовывать солнечную энергию можно при помощи пассивных и активных систем. Пассивными являются системы, у которых не используются никакие сложные преобразования солнечной энергии, например, специальная емкость из металла, полностью окрашенная в черный цвет и наполненная водой. При попадании на нее солнечных лучей происходит быстрое нагревание поверхности металла, вследствие чего жидкость внутри емкости также получает нагрев от металлической поверхности. Кроме этого примитивного метода преобразования солнечной энергии также имеются более совершенные пассивные системы, которые используются при проектировании различных сооружений, учета климатических условий, а также при решении иных поставленных задач. Применение пассивной системы – обогрев и освещение, активной — устройства, в которых для превращения солнечной энергии применяются специальные коллекторы. Особенностью коллекторов энергии является поглощение солнечных лучей с последующим преобразованием их в 7 тепловую энергию, которую при помощи специальных теплоносителей доставляют до потребителя на обеспечение обогрева внутренних помещений сооружений или воды в них. В нынешнее время применение различных солнечных коллекторов нашло себя во многих сферах деятельности, например, в сельском хозяйстве, а также в тех отраслях, где необходимо тепло и отсутствуют традиционные источники тепловой энергии. В качестве основы коллектора солнечной энергии используется специальная теплоизолированная пластина, изготовленная с использованием материалов, хорошо проводящих тепло, а также покрытая сверху достаточно темной краской. При прохождении солнечных лучей через промежуточный элемент происходит нагрев пластины, полученное тепло с которой поступает для последующего использования для нагрева здания. Направлять тепловой поток в системе можно, если использовать вентилятор или естественные потоки ветра. Минусом данного решения является то, что требуются затраты на использование вентиляторов. Кроме этого, коллекторы солнечной энергии могут обеспечивать теплом здание лишь при поступлении на него солнечного света, так что заменить основные источники обогрева не удастся. Чтобы повысить КПД коллектора, его следует располагать в местах расположения главного источника тепла или вентиляции. Наибольший спрос обеспечивается при помощи солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрическую энергию, которые основаны на фотоэлектрических преобразователях энергии от солнца. Главными преимуществами солнечных преобразователей являются простая конструкция, удобный монтаж, обслуживание панелей не требует больших усилий, а также повышенный ресурс использования. Для установки солнечных панелей не требуется много дополнительного места, главное – доступ к солнечному свету и отсутствие затенения. Ресурс панелей доходит до десятилетий, благодаря чему они очень популярны. Однако у преобразующих солнечную энергию панелей существуют 8 некоторые недостатки: Высокая чувствительность к загрязнениям поверхности панели. Для снижения влияния загрязнений панели следует устанавливать под углом в 45 градусов для того, чтобы снежные или дождевые осадки очищали их. Недопустимость излишнего нагрева панели. При достижении температуры поверхности батареи в 120 – 125 градусов Цельсия, скорее всего, произойдет вынужденное прекращение работы солнечной панели из-за превышения максимально допустимых пределов рабочих температур. В этом случае необходимо наличие специальной системы для последующего охлаждения батарей. Высокая стоимость. Затраты на приобретение и установку солнечных преобразователей относительно традиционных источников энергии достаточно велики, но при достаточно длительном сроке службы и благоприятных погодных условия возможно почти полное возмещение данных затрат. 9 1.2 Виды солнечных батарей Рисунок 1 – Различные виды солнечных батарей Разберем основные типы существующих на данный момент преобразователей солнечной энергии в электроэнергиию Первым видом солнечных преобразователей являются солнечные батареи на основе кремния.Данный тип преобразователей отличается материалом, из которого их и производят, представлен он кремнием. На сегодняшний день они являются одними из самых популярных солнечных панелей при создании домашних солнечных электростанций. Их популярность связана с достаточно большой доступностью кремния, как материала для производства панелей, так и его небольшой ценой, а также высокими параметрами эффективности в сравнении с другими видами солнечных преобразователей энергии. Производят их не только из кремния, но и в том числе из моно, поликристаллов, а также аморфного кремния. Одним из типов кремниевых солнечных преобразователей является монокристаллическая солнечная батарея. При производстве данного вида 10 солнечных панелей используется наиболее очищенный, а также самый чистый кремний. Монокристаллические солнечные панели выглядят как силиконовые соты или ячейки, объединенные в одну совместную структуру. После процесса затвердевания очищенных монокристаллов кремния их разделяют на сверхтонкие пластины, толщина которых может не превышать 300 мкм. Затем полученные пластинки соединяются при помощи тонкой сетки, состоящей из электродов. По сравнению с другими типами солнечных преобразователей, их стоимость выше из-за сложности технологических процессов при их производстве. При этом данный тип панелей стоит учитывать, потому что они имеют достаточно большой коэффициент полезного действия (КПД), находящийся в пределах 20%. Панели на монокристаллической и поликристаллической структуре одни из самых дорогих по стоимости среди остальных, при этом обладая большой мощностью. Панели на тонких пленках дешевле, но больше по габаритам, для них необходимо большое свободное пространство в домашних условиях. 11 Рисунок 2 – Монокристаллическая панель Преимуществами монокристаллической солнечной батареи являются: Высокая эффективность благодаря высокой структурированности используемого материала. Производительность данных солнечных панелей находится в промежутке от 17 до 22%. 12 Небольшие размеры конструкции для обеспечения необходимого значения энергии в сравнении с аналогичными преобразователями солнечной энергии при тех же остальных характеристиках. К примеру, чтобы получить количество электроэнергии в 10 Вт, необходима панель из монокристаллического кремния намного меньшего размера по сравнению с остальными панелями. Наибольшая долговечность среди остальных видов солнечных преобразователей. При грамотном и должом использовании монокристаллические солнечные батареи после их покупки и установки могут прослужить вплоть до 25 лет. Среди недостатков данных монокристаллических солнечных преобразователей можно выделить следующие параметры: Высокая стоимость батарей. Если стоимость солнечных панелей является основной определяющей при создании домашней электростанции, а не параметры срока службы и эффективности преобразования энергии, тогда целесообразнее остановиться на иных видах батарей, например, поликристаллических. Небольшие загрязнения поверхности панелей или постоянная затененность, при которой происходит закрытие части конструкции, являются причинами, при которых происходит частичная потеря производительности солнечных батарей. Чтобы устранить влияние представленного недостатка, требуется использование специальных микроинверторов, необходимых для уравнивания характеристик работы всей цепи преобразования солнечной энергии, вследствие неравномерной и непостоянной освещенности. Рассмотрим следующий тип солнечных преобразователей – поликристаллическую солнечную панель. Для создания поликристаллов кремниевую субстанцию медленно охлаждают. При их создании не требуются никакие сложные 13 технологические процессы, как при выращивании монокристалла. Для получения данных панелей расплавляют специальное кремниевое сырье и заливают его в формы для последующей выплавки изделий, после чего их нарезаю на квадратные пластины. Таким образом, происходит процесс создания поликристаллической солнечной панели. При этом методе производство батарей намного дешевле монокристаллических. Также их изготовление требует меньшее количество энергии, ещё сильнее влияя на конечную стоимость устройства. Однако, КПД данных солнечных преобразователей ниже — около 15 – 18%. Это снижение КПД происходит потому, что образования внутри поликристаллов уменьшают общую эффективность преобразования. 14 Рисунок 3 – Поликристаллическая панель Основные преимущества поликристаллических панелей: Низкие затраты на изготовление батарей. В частности, происходит снижение количества производимых отходов, благодаря чему дополнительно уменьшается стоимость процессов их переработки и утилизации. Низкий процент брака при изготовлении из-за использования достаточно простых методов при изготовлении солнечных панелей. 15 Но при этом поликристаллические преобразователи солнечной энергии обладают следующими минусами: Меньшая устойчивость к воздействию на панели высокими температурами, в отличие от аналогов из монокристаллического кремния. Воздействие слишком больших температур негативно влияет на производительность конструкции и на ее долговечность. КПД таких батарей достигает только 14 - 18%, что примерно на 5% ниже показателей батарей из монокристаллов. Меньшая эффективность при использовании пространства для установки поликристаллических солнечных преобразователей. Для достижения сопоставимых параметров производимой энергии в сравнении с другими типами солнечных батарей необходима большая площадь поверхности панелей. Наличие неоднородностей на внешнем виде конструкции. Если применять специальное просветляющее покрытие, то можно почти полностью устранить влияние на эффективность панели данным недостатком. Рассмотрим преобразователи солнечной энергии – панели на технологии тонких пленок. Для изготовления тонкопленочных панелей используется вакуумное напыление фотоэлектрического материала в виде тонкой пленки на специальную основу – подложку, материалы которой и вид напыления меняются при изменении требуемых параметров. Основными материалами, использующимися при напылении тонких пленок, являются: аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe), медь, индий, галлий, соединения селена — селениды (CIS/CIGS), а также различные органические элементы (OPC). 16 Рисунок 4 – Тонкопленочная панель КПД тонкопленочных солнечных батарей зависит от качества и чистоты технологического процесса и составляет от 7 до 13%. При развитии технологии и внедрении инновация прогнозируемый рост КПД составит 3%. 17 Существуют тонкоплёночные батареи на основе теллурида кадмия. Кадмий является материалом, преимуществом которого является большой процент поглощения света. В настоящий момент, его активно используют как в космической промышленности, так и в качестве материала при изготовлении солнечных преобразователей для установок домашнего использования. Основным недостатком кадмия считается его ядовитость. Однако во многих исследованиях говорится о небольшом количестве испаряемого материала в атмосферу для причинения серьезного вреда человеческому здоровью. Также, несмотря на то, что КПД таких панелей находится в районе около 10%, ее стоимость с сопоставимой по эффективности другой солнечной батареей ниже аналогов. Также существуют тонкопленочные преобразователи на основе селенида меди-индия. При их промышленном изготовлении используются медь, индий, селен в качестве полупроводника. Но из-за большой важности индия при изготовлении жидкокристаллических мониторов в основном используется галлий, способный заменить индий по своим функциям. КПД данного солнечного преобразователя намного больше, чем у теллурида кадмия — в пределах 20%. Основные преимущества тонкопленочных панелей: Низкая себестоимость производства, следовательно из этого, более низкая цена на панели в целом. Эстетичный внешний вид конструкции, обусловленный высокой однородностью. Возможность изготовления гибких конструкций Низкие потери производительности из-за нагрева или непрямого освещения. При этом у преобразователей на тонкопленочной структуре имеется целый ряд недостатков: 18 Необходимость в достаточно большой площади для монтажа конструкции панелей, чтобы можно было обеспечить необходимые преобразования требуемого количества энергии солнца. При установке большого количества солнечных панелей на тонких пленках требуется дополнительная крепежная фурнитура и повышенные затраты на их установку. Срок службы данных панелей ниже, чем у кристаллических аналогов. Рассмотрим следующий тип преобразователя солнечной энергии – полимерную солнечную батарею. Данный тип преобразователей не так давно был изобретён, и его начали производить и использовать. В качестве проводников выступают соединения полифенилена, фуреллена, фталоцианина меди. При этом толщина получившегося элемента очень небольшая — порядка 100 нм. Несмотря на низкий уровень КПД, не превышающий уровень в 5 – 10%, всё же возможно выделить причины, почему можно присмотреться и выбирать данный тип солнечных преобразователей, например, из их достоинств можно выделить: доступные и недорогие материалы для изготовления панелей, нет вредных испарений, попадающих в окружающую атмосферу. Так что такие батареи отлично подходят потребителям благодаря отличной эластичности и экологичности. 19 Рисунок 5 – Полимерная солнечная панель Наиболее эффективные образцы полимерных солнечных элементов созданы при использовании донорно–акцепторной системы. В этом случае оптимально сочетаются различные полупроводниковые материалы, которые при облучении их светом показывают чрезвычайно быстрый трансферт (менее одной пикосекунды) носителя от донора к акцептору (например, тонкие пленки сопряженных полимеров и фуллеренов). 20 Данные пары донор-акцептор различаются друг от друга смещенными позициями электрохимических потенциалов: высшей занятой и низшей незанятой орбиталями. «Эти орбитали в некотором роде сопоставимы с зонной схемой неорганических полупроводников» [5]. Рисунок 6 – Структура полимерного солнечного элемента Когда происходит поглощение фотона с энергией на преодоление барьера от высшей к низшей орбитали, тогда появляется экситоны (электростатически связанная пара положительного и отрицательнго зарядов), которые разделяются в граничной донорно-акцепторной зоне. Затем 21 заряд переносится в два полупроводника. Носители сталкиваются с множеством молекулярных барьеров, находящихся внутри полупроводника, что в итоге приводит к их рекомбинации. У полимерного солнечного преобразователя есть поглощающий слой с очень низким собственным сопротивлением, который состоит из смеси органических полупроводников донорного и акцепторного типов в равном количестве. Его наносят на электрод, вследствие чего появляется возможность пропускания почти всего падающего светового потока, что дает максимальное действие фотонов в активном слое. Важнейший показатель полимерного элемента – определение предпочтений носителя заряда в обмене его с полупроводником (отрицательным или положительным). Затем на противоположной стороне поглощающего слоя происходит напыление металлического электрода, на который поступают носители заряда с прозрачного электрода. Также свет, который отражается от поверхности металлического электрода, способен увеличить выходную мощность, благодаря повторному прохождению фотонов через поглощающий слой, где возможно появление ранее не активированных носителей заряда. Для получения высокой эффективности преобразования солнечной энергии, носители заряда должны быть очень подвижны в поглощающем слое полимерного полупроводника для их высокоскоростного последующего разделения после поглощения. В данный момент подвижность носителей заряда полимерных полупроводников достаточно низкая. Потенциальными достоинствами полимерных преобразователей солнечной энергии по сравнению с обычными панелями на основе кремния являются: Низкие затраты на производство данных панелей благодаря более дешевым технологиям производства и более низкой стоимости материала. 22 Гибкость, прозрачность, простота использования. Энергосберегающее производство. Основными недостатками полимерных солнечных батарей являются: Небольшая энергоэффективность (на настоящий момент только в некоторых лабораториях была достигнута эффективность 12%). Из-за малой энергоэффективности возникает потребность в больших площадях, для того чтобы можно было достигать требуемые показатели мощности. Малый срок службы панелей из-за разложения органических соединений на солнечном свете. Для повышения эффективности при использовании площади солнечных преобразователей энергии можно применять специальные концентрационные модули, достигая почти двукратной экономии по площади панелей. Линзы концентрируют солнечный свет на меньшую площадь поверхности преобразователей, благодаря чему возможно снижение габаритов солнечных батарей без потерь количества вырабатываемой ими электроэнергии. Концентрационные модули позволяют снизить размеры солнечных преобразователей и повысить их производительность. К сожалению, для данного вида конструкции необходима система автоматического слежения и поворота линз для эффективного использования энергии солнца. 23 Рисунок 7 – Концентраторы солнечных лучей, находящиеся над солнечными элементами Концентраторы солнечных лучей можно использовать в двух различных направлениях. Первое – использование специальных линз, которые необходимо размещать над фотоэлементами. За счёт размещения на солнечной батарее этих специальных линз в восемь раз повышается концентрация светового потока. Таким образом, появляется возможность уменьшить количество фотоэлементов арсенида галлия, которые составляют основную часть стоимости солнечных батарей. А второе – использование 24 солнечного света для работы солнечных печей. «В направлении создания концентраторов солнечных лучей для получения электрической энергии трудились российские ученые (Петербург) и немецкие. Последним удалось при помощи такой технологии увеличить КПД солнечных панелей до 40%, а в полевых испытаниях эффективность установки достигла 28,5%» [7]. |