2. Исследовательский раздел
2.1 Начальные данные
Для того чтобы подобрать необходимое значение величины питающего напряжения системы необходимо руководствоваться мощностью, которая будет потребляться бытовой нагрузкой переменного тока. Таким образом, при общей мощности потребителей до 1 кВт, выбирается питающее напряжение системы 12В, если же суммарная мощность нагрузки по переменному току превышает 1 кВт, тогда значении выходного напряжения составляет 24В. Когда совокупная мощность потребления всех бытовых электроприборов превышает значение в 3,5 кВт, тогда итоговое значении выходного напряжения системы будет равно 48В. В промежутке выходной мощности нагрузок 1 – 3.5 кВт можно использовать систему с напряжением питания в 36В.
Рисунок18 – Среднегодовой уровень инсоляции на территории Российской
Федерации
50
Таблица 1 – Средний ежемесячный уровень солнечной инсоляции за последние 10 лет на территории Самарской области.
Месяц
Солнечная инсоляция,
кВт*ч/м
2
Оптимальный угол
наклона, °
Январь
1,76 69
Февраль
2,78 61
Март
4,15 49
Апрель
5,04 33
Май
5,95 19
Июнь
6,26 13
Июль
6,11 16
Август
5,13 28
Сентябрь
3,90 43
Октябрь
2,66 56
Ноябрь
1,85 66
Декабрь
1,58 72
Среднее за год
3,94
43,6
51
Рисунок 19 – Роза ветров
Таблица 2 – Сравнение коэффициентов полезного действия для различных видов солнечных батарей.
Разновидности солнечных панелей
КПД преобразования (в процентах)
Монокристаллические
17 – 22%
Поликристаллические
12 – 18%
Аморфные
5 – 6%
Теллурид кадмия
10 – 12%
Селенид меди-индия
15 – 20%
Полимерные
5 – 6%
52
Рисунок 20 – Среднегодовой график распределения скорости ветра на территории Российской Федерации
Рисунок 21 – Зависимость мощности генераторов от скорости ветра
53
Рисунок 22 – Зависимость мощности ветряков от диаметра роторов и площади лопастей
Таблица 3 – Сравнительная характеристика для различных габаритов ветрогенераторов
Максимальная мощность, кВт
Напряжение,
В
Диаметр ротора, м
Высота мачты, м
Номинальная скорость, м/с
0,55 24 2,5 6
8 2,6 120 3,2 9
9 6,5 240 6,4 12 10 11,2 240 8
12 10 22 360 10 18 12
54
Таблица 4 – Средняя ежемесячная скорость ветра за последние 10 лет на территории Самарской области.
Месяц
Скорость ветра, м/с
Направление ветра, °
Январь
4,63 203
Февраль
4,91 194
Март
4,68 189
Апрель
4,30 193
Май
4,26 199
Июнь
3,83 200
Июль
3,45 209
Август
3,54 221
Сентябрь
3,80 224
Октябрь
4,30 229
Ноябрь
4,32 226
Декабрь
4,68 222
Среднее за год
4,22
Среднегодовая или среднемесячная скорость ветра – это усредненный показатель, рассчитанный на основе 10 – летних наблюдений. В таблице 4 используется значения скорости ветра на высоте 10 метров от поверхности земли. Данные значения обычно различаются в разных частях страны и напрямую влияют на эффективность использования ветрогенераторов. На движение ветров имеет большое влияние даже различные времена года. В отдельных районах страны может быть длительное затишье.
На движение воздушных потоков на местности сильно влияют и снижают этот параметр: лес и ближайшие деревья; соседние дома и строения; расположения конструкции в низине или за возвышением.
55
2.2 Расчет выработки ветрогенератора для Самарской области Формула для расчетов полезной мощности ветрогенератора представлена ниже:
, (1) где
– КПД турбины. «Параметр невозможности круглосуточного потока ветра для максимальной мощности» [22]. Значения этого параметра лежат в пределах
;
– плотность воздушного потока, значение примерно 1,225 кг/м
3
;
– скорость ветра, м/с;
– площадь ветрового потока, м
2
– диаметр лопастей ветрогенератора, м.
«Как
видно из формулы, выработка ветрогенератора находится в кубической зависимости от скорости ветра, а значит использовать усредненные за месяц данные не совсем правильно. К примеру, номинальная выработка ветряка мощностью 1 кВт достигается при скорости ветра 10-12 м/с, при этом при скорости ветра в 5 м/с выработка будет всего порядка 110
Вт. А при стартовой скорости ветра 3 м/с, всего 20 Вт. Другими словами, рассчитать возможности ветряной электростанции можно только в конкретный момент времени» [22].
«На сегодня наивысший КПД горизонтальных ветровых установок, обладающих большей эффективностью, чем вертикальные ветряки, равен 0,4.
Для вертикальных устройств среднее значение считается равным 0,38, т.е. показатели близки и не находятся на большом удалении друг от друга» [24].
Соответственно, из этого следует, что если не вдаваться в конкретные цифры, разница между различными типами ветрогенераторов не особо существенна в теории, весь выбор будет сводиться к конкретным
56 метеорологическим условиям в месте расположения ветряка.
Более выгодным выбором в Самарской области будут вертикальные ветрогенераторы с их способностью выдавать заявленную мощность при небольших скоростях ветра в 3-4 м/с, а также возможность их расположения даже на крышах домов или на небольшом удалении от земли. К сожалению, в большинстве случаев самым распространенным решением у поставщиков является горизонтальный тип ветряков из-за их эффективности и простоты изготовления, но для них необходимо достаточно большое свободное пространство, постоянный ветер 5-8 м/с, а также мачта высотой около 10-15 метров для получения номинально заявленной мощности.
Из формулы 1 произведем расчеты выработки ветрогенератора за 1 час при средней для Самарской области скорости ветра в 4 м/с, диаметре лопастей 3.2 м и КПД в 40%:
(2)
Как видно из этого расчета, скорость ветра влияет значительно на выходную мощность, к примеру, при ветре в 10 м/с, выработка ветряка достигает
, что является почти максимальной мощностью для ветрогенератора с представленными выше параметрами.
Для того, чтобы понять, сколько в среднем за год будет выработано энергии, возьмем значение из формулы 2 и умножим на количество часов в году:
(3)
Стоимость данного ветряка [25] составляет 83871 рубль, монтажные работы 15000 рублей, срок службы 10 лет, предельная скорость ветра 25-30 м/с,
которая иногда появляется в Самарской области, проверка и смазка подшипников раз в полтора года, очистка от ржавчины раз в три года.
57
2.3 Расчеты для выбора солнечных панелей для Самарской области
Количество электроэнергии, вырабатываемой одной солнечной батареей в сутки, находится по формуле:
(4) где – коэффициент солнечной инсоляции,
; – среднее время работы солнечной панели в сутки;
– мощность одной панели.
Для расчета вырабатываемой энергии солнечными батареями возьмем самый эффективный тип по таблице 2 – монокристаллические панели с КПД
17–22%, а также рассчитаем вырабатываемую электроэнергию за час на самом солнечном месяце в Самарской области – июне с уровнем солнечной инсоляции в
. Солнечный день в июне длится 17 часов.
Сократим до 15 часов из-за того, что не предполагается автоматическая подстройка угла наклона солнечной панели относительно солнца.
(5)
Произведем расчеты по среднегодовому значению для определения выработки энергии за год в те дни, когда на получение солнечной энергии не влияют отрицательные погодные условия.
Также предположим необходимость минимум 5 солнечных батарей мощностью в 300 Вт каждая, а средняя продолжительность светового дня за год составляет около 12 часов, количество солнечных дней в году в Самаре равно 123 дня [28]:
(6)
Конечно, данные, которые были получены из формулы 6, являются идеальным случаем, когда солнечные батареи всегда ориентированы на солнце, а также если в течение всего светового дня солнечные панели работали на своей полной эффективности.
Для расчета эффективности солнечных преобразователей энергии за год при учете всех остальных дней, когда для солнечных лучей появляются
58 препятствия в виде обычных, дождевых, или снежных облаков, примем условно для наших расчетов эффективность батарей в 50% от максимального значения выходной мощности в 300Вт. В конечном счете, получается следующее значение выработки электроэнергии солнечными панелями при неблагоприятных для них климатических условиях за оставшиеся для расчетов 242 дня:
(7)
Итоговое значение выработки электроэнергии за весь год от преобразователей солнечной энергии находится по следующей формуле:
(8)
Стоимость комплекта из 5 солнечных батарей Exmork ФСМ-300М равна 93095 рублей, срок службы по информации производителя 30 лет, с
20% потерями мощности – 25 лет, максимально напряжение равно 36В, номинальное – 24В, максимальный ток – 8А.
Когда солнечный элемент
подвергается воздействию солнечного луча, температура ячейки начинает постепенно повышаться от 25°C до 55°C. Это повышение температуры ячеек приводит к постепенному понижению напряжения холостого хода (ХХ) примерно до 12%. Это приводит к снижению эффективности на 0,4% при увеличении температуры ячеек на
1°C. Затем солнечный симулятор отключается и несколько раз отслеживает изменения напряжения из-за нагрева и охлаждения ячейки. Влияние повышения температуры ячейки на ток короткого замыкания было минимальным. Ток изменяется только на 1% при изменении температуры ячейки на 30°C, что соответствует основной теории.
59
Рисунок 23 – Изменение температуры солнечной батареи при 1, 2-х, 5- кратной концентрации солнечных лучей
60
Рисунок 24 – Изменение со временем напряжения ХХ солнечной батареи при
1, 2-х, 5 – кратной концентрации солнечных лучей.
Еще один меньший солнечный элемент испытывается при двукратном и пятикратном концентрированном солнечном освещении. Было обнаружено, что температура ячейки повышается с увеличением концентрации солнечного света, как показано на рисунке 24. Напряжение разомкнутой цепи незначительно увеличивается примерно до 6% при использовании пятикратной солнечной концентрации (рисунок 23), тогда как ток короткого замыкания существенно возрастает примерно до трех по сравнению с обычной интенсивностью солнечных лучей.
На рисунке 25 показано изменение напряжения ХХ при воздействии двукратной концентрации солнечных лучей без охлаждения и с охлаждением
61 на основе обычного радиатора, специального термоинтерфейса, а также с использованием подложки на основе 4% графена.
Рисунок 25 – Изменение напряжения ХХ с охлаждением и без охлаждения солнечной батареи при двукратной концентрации солнечной энергии
В итоге можно сказать, что применение охлаждения для солнечных панелей дает небольшой прирост общего значения КПД. Целесообразность использования охлаждения необходима тогда, когда температура поверхности солнечной панели будет превосходить максимальную температуру в 55°C, которую можно достичь на территории Самарской области только в самые жаркие летние дни. При использовании технологии концентраторов солнечных лучей, когда направляется на панели большое количество линз, применение охлаждения может показать неплохие
62 результаты по уменьшению потерь мощности из-за высокой температуры.
2.4 Итоговый расчет
После расчетов среднегодовых параметров выходной мощности с гибридной системы электроснабжения, основанной на ветрогенераторе и солнечных батареях по 1.5 кВт номинальной мощности от каждого элемента, в итоге получили энергии в среднем за год по Самарской области. При этом выработка электроэнергии от солнечных панелей больше чем в три раза превышает эффективность ветрогенератора той же мощности.
Выбор аккумуляторных батарей будет исходить из максимальных параметров напряжения и тока от источников альтернативной энергии. В нашем случае максимальное напряжение равно 36В от солнечных панелей, максимальный ток 83А от ветрогенератора.
Хорошим выбором может служить GEL – гелевый тип аккумуляторов, который хорошо переносит перепады температур, подходит для систем с частичной заменой электросети, однако ток заряда данного вида аккумулятора не должен превышать 0.2 от заявленной емкости, т.е. при токе
80А емкость должна составлять
. AGM – аккумуляторная батарея обладает высокой плотностью энергии. Ток заряда не превышает 0,3 от емкости батареи, что приблизительно на 40% больше, чем у гелевых аккумуляторов, таким образом, потребуется аккумулятор на
Возьмем с запасом 2 аккумулятора с емкостью и ценой 17648 рублей за каждый, срок их службы составляет около 10 лет. В качестве инвертора возьмем ИС-24-3000 стоимостью 26100 рублей, входное напряжение которого находится в диапазоне 21-29В, выходная мощность 3 кВт, КПД преобразования энергии 92%.Для солнечных панелей необходим специальный контроллер, при помощи которого будет регистрироваться выходная мощность, которая поступает с наших панелей, например, MPPT
SRNE SR-ML4830, с максимальными входным током 30 А и напряжением
63 48В стоимостью 16774 рубля.
Тариф на электроэнергию в Самарской области на 2019 год составляет
, в среднем тариф за год повышается на 0.14 рублей. С учетом срока службы аккумуляторов в 10 лет, рассчитаем итоговую стоимость полученной системы: в итоге по расчетам суммарная стоимость всех необходимых компонентов для создания системы резервного питания с использованием источников альтернативной энергии за период в 10 лет составила около 270000 рублей. Возмещение затрат на произведенную за эти
10 лет электроэнергию от источников альтернативной энергии составит:
Из
этих расчетов получается, что за 10 лет при постоянном использовании данной системы, не всю вложенную в необходимые компоненты сумму удастся возместить, что говорить о случае, когда она будет использоваться только лишь как резервный источник питания при наличии основной городской сети. При этом каждые 10 лет будет необходимо заменять старые аккумуляторы новыми, а также проводить постоянное обслуживание солнечных панелей и ветрогенератора с целью поддержания эффективности их работы.
Если проводить дальнейшие расчеты на срок уже в 20 лет, только тогда произойдет полное возмещение затрат на приобретение системы питания с источниками альтернативной энергии при условии полной сохранности остальных компонентов, исключая аккумуляторные батареи. Если же использовать данную систему как резервную, тогда ее целесообразность может быть рассчитана только для тех случаев, когда появляется большая необходимость в устойчивом источнике электроэнергии, а также при питании достаточно дорогостоящих и требовательных к напряжению электроприборах при отсутствии стабильного сетевого напряжения.
64
3. Проектный раздел
3.1 Выбор необходимых компонентов
В качестве основы для нашего макета устройства системы резервного питания на элементах альтернативной энергетики, которая будет контролировать всю работу устройства, был выбран микроконтроллер серии
Arduino UNO R3, лицевая часть которого представлена на рисунке 26.
Рисунок 26 – Изображение лицевой стороны микроконтроллера
Arduino Uno R3
Микроконтроллер серии Arduino Uno R3 представляет собой устройство с основой на микросхеме ATmega328. Подключение и работа с
65 микроконтроллером происходит при помощи 14 цифровых входов/выходов, номера которых на самом устройстве обозначаются числами от 0 до 13.
Максимальное напряжение,
получаемое с выводов, составляет 5В, а максимальный ток каждого равен 40 мА. При этом шесть цифровых выходов, обозначенных знаком «» являются выходами, у которых возможно применение широтно – импульсной модуляции (ШИМ). У микроконтроллера также присутствует шесть аналоговых входов, обозначенных как «A0 – A5», кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем для подключения к персональному компьютеру и питанию от него типа USB, разъем для отдельного питания напряжением вплоть до 12В, разъем для внутрисхемного программирования
(ICSP) и кнопка сброса самого микроконтроллера при его неисправности.
Для загрузки в микроконтроллер необходимых программ предусмотрен объем Flash – памяти на 32 килобайт на основе микросхем ATmega328, при этом 0,5 килобайт необходимо для работы самого загрузчика. Для сохранения данных даже при отключении питания от микроконтроллера предусмотрена специальная энергонезависимая память EEPROM объемом в 1 килобайт.
Чтобы начать работу с микроконтроллером Arduino, необходимо приложить напряжение от AC/DC – адаптера или батарейки 9В типа
«Крона», а также через USB – кабель от персонального компьютера. Через порт AREF возможно задание опорного напряжения для аналоговых выходов. При использовании порта IOREF происходит подстройка специальных плат расширения с напряжение самого микроконтроллера. Этот порт требуется при совместимости плат для расширения функционала как с напряжением питания в 5В с базой микроконтроллера AVR, так и с 3.3В на микроконтроллерах вида Arduino Due и др.
Для коммутации различных приборов используется специальный многоканальный модуль реле для микроконтроллеров (рисунок 28), принципиальная схема устройства изображена на рисунке 29.
66
Рисунок 28 – Изображение многоканального модуля реле
В состав многоканального модуля входят четыре независимых одноканальных реле, в основе которых находятся следующие элементы: резисторы номиналом в 1 кОм (R1, R2), подтягивающий резистор R3 сопротивлением в 10 кОм, p-n-p транзистор (VT1), обратный диод (VD2) и, реле (К1). Элемент VD1, который является на схеме красным светодиодом, свидетельствует собой индикацию наличия питания модуля реле, когда загорается зеленый светодиод VD3, тогда следует то, что реле находится в разомкнутом состоянии. Контакты одноканального модуля реле изображены на рисунке 30. Соответственное обозначение контактов реле: NC – нормально замкнутый, SW – контакт переключения, NO – нормально разомкнутый.
67
Рисунок 29 – Принципиальная схема модуля реле
Рисунок 30 – Контакты реле
Когда происходит подача питания на модуль реле, тогда нахождение выводов реле в состоянии с высоким сопротивлением препятствует открытию транзистора. Для того чтобы открыть p-n-p транзистор, на его базу необходимо подавать отрицательное напряжение относительно питания реле.
Это можно сделать через микроконтроллер с помощью функции
68 digitalWrite(pin, LOW), где «pin» - это
значение логического вывода, через который реле управляется микроконтроллером. После этого происходит срабатывание реле через открытие транзистора и протекание тока через цепь управления. Если необходимо снова замкнуть контакты реле через закрытие транзистора путем подачи «плюса» на его базу, тогда следует воспользоваться функцией digitalWrite(pin, HIGH).
Для отображения информации можно воспользоваться жидкокристаллическим дисплеем LCD1602, который основан на микросхеме типа HD44870 (рисунок 31). На этом рисунке представлен сам дисплей
LCD1602, который может подключаться к микроконтроллеру при помощи, подключенной к нему платы последовательного I2C – интерфейса с контроллером PCF8574AT, обеспечивающим подключение дисплея только через четыре провода. Контакты I2C – интерфейса SDA и SCL соединяются соответственно с входами SDA и SCL микроконтроллера Arduino Uno R3, контакты VCC и GND – соответственно к выводам +5В и GND на микроконтроллере.
Рисунок 31 – Изображение жидкокристаллического дисплея LCD1602, подключаемого через плату расширения I2C-интерфейса
69
В качестве источников альтернативной энергии в устройстве будут служить солнечная панель с параметрами максимальными напряжением 2В и током 0.1А, также будет использован небольшой ветрогенератор постоянного напряжения 2.5В и тока 0.01А. В качестве аккумуляторной батареи возьмем Ni-Mh-аккумулятор на 600 мАч, у которого напряжение полного заряда равно 1.25В, полного разряда – 0.9В. Подключение источников к аккумулятору и к ардуино происходит через делители напряжения с большим сопротивлением, для предотвращения разряда аккумулятора.
Рисунок 31 – Солнечная панель
Рисунок 32 - Аккумулятор
70
Рисунок 32 - Ветрогенератор
Скачать 2.1 Mb.