Фермерская солнечная зарядная электростанция для электротранспорта

Введение. Задачей разработки конструкций зарядных станций 54

для зарядки аккумуляторных батарей от возобновляемых источников энергии занимаются многие учёные и производители электротранспорта. Например, Лавровым В.Б. в [1] предлагается мобильная солнечная электростанция для зарядки аккумуляторных батарей малой мощности. Данная мобильная солнечная электростанция содержит четыре фотоэлектрических модуля, и преобразователь напряжения, выполненный с возможностью контроля заряда и защиты аккумуляторных батареи [2]. К недостаткам этой электростанции можно отнести низкий уровень тока заряда на выходе, что ограничивает возможности её применения для зарядки аккумуляторных батарей электротранспорта. В то же время задача создания станций зарядки аккумуляторных батарей для электротранспорта актуальна для сельскохозяйственных предприятий, фермерских хозяйств, где такой транспорт может использоваться для наблюдения за качеством выпускаемой продукции, контроля технологических процессов и других целей. Мощность такого электротранспорта может составлять до 10 кВт и более, поэтому станция должна обладать соответствующими техническими характеристиками.

Отдельный вопрос – размещение зарядной станции. Необходимо продумать оптимальное решение расположения солнечной зарядной электростанции, таким образом, чтобы электротранспорт, использующий данную установку, имел к ней свободный доступ. Солнечные фотоэлектрические модули (СФМ), должны располагаться на открытом пространстве. Расположение комплекта дополнительных аккумуляторов должно быть предусмотрено на территории защищенного объекта. Поэтому предлагается разместить солнечную электростанцию в помещении гаража. Электростанция должна состоять из СФМ установленных на южном скате крыши гаража, коммутационного бокса, контролера заряда и коннектора, размещённых во внутренней части помещения. СФМ должны выбираться с учётом географической широты места расположения фермерского хозяйства.

Целью исследования является разработка электрической схемы, расчет основных параметров солнечной зарядной электростанции.

Материалы и методы.

В качестве методов был использован метод теоретического исследования, а также литературный анализ.

Результаты и обсуждение. Транспортное средство сельскохозяйственного назначения с электроприводом содержит аккумуляторные батареи, которые необходимо периодически заряжать. Период зарядки зависит от режима работы электротранспорта. Как правило основной комплекс работ с применением электротранспорта производится в дневное время, и в дневное же время осуществляется приход солнечной инсоляции. Поэтому зарядка батарей от солнечной электростанции возможна именно в дневное время. Поэтому, для гарантированной работы электротранспорта в рабочее время необходимо иметь, как минимум, два комплекта аккумуляторных батарей. Один из них устанавливается на электротранспорте, а второй заряжается. При необходимости производится смена комплектов.

СФМ должны находиться на открытом пространстве и не затеняться деревьями и различными конструкциями. Необходимо внимательно отнестись к способу их ориентации в пространстве. Выбор угла склонения СФМ зависит от географического расположения фермерского хозяйства. Для каждой широты имеется оптимальный угол наклона СФМ. Для весны и осени оптимальный угол наклона равен значению широты местности. Для зимы к значению широты прибавляется 10-15 градусов. Летом от значения широты отнимается 10-15 градусов. При отсутствии возможности менять угол наклона СФМ, модули закрепляются под углом, значение которого составляет среднее значение между оптимальным летним и зимним углом.

Рисунок 1 – Угол склонения солнечных панелей в разное время года [3]

Монтаж СФМ в плоскости крыши гаража имеет свои преимущества, так как угол наклона скатов крыши в центральной полосе России практически совпадает с необходимым углом склонения СФМ 50 градусов. Более точная установка обуславливается размещением на кронштейнах, которые обеспечивают заранее рассчитанный оптимальный угол и позволяет вручную менять угол наклона СФМ два раз в год – зимой и летом, тем самым повышая КПД преобразования.

Размещение элементов солнечной электростанции в гаражном помещении представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Размещение элементов солнечной электростанции с системой зарядки аккумуляторов

На рисунке 2 представлено: 1 – СФМ, 2 – коммутационный бокс, 3 – контроллер солнечного заряда, 4 – аккумуляторная батарея.

Принципиальная электрическая схема зарядки аккумуляторов от СФМ представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Электрическая схема подключения СФМ к аккумуляторам

На рисунке 3 представлено: СФМ – солнечные фотоэлектрические модули; R_ш – шунтирующий резистор; R1 – резистор; VD1 – диод; С1 – конденсатор на 10000 мкФ, G 1 – аккумуляторные батареи.

Солнечная зарядная электростанция даже при рассеянном солнечном излучении должна обеспечивать необходимый уровень заряда [4]. Нормативное время заряда свинцово-кислотных и щелочных аккумуляторов составляет 10% от их ёмкости, или 10 часов. Самыми быстро заряжаемыми аккумуляторами являются литий-ионные аккумуляторы, время до полной зарядки которых, составляет 4 часа.

Для наиболее эффективной зарядки аккумуляторов необходимо коммутировать СФМ таким образом, чтобы они имели максимальный генерируемый ток. Это возможно при условии, когда напряжение СФМ выше напряжения аккумуляторов. При этом СФМ необходимо подключать к аккумуляторам через диод VD1, как это показано на рисунке 3. Это необходимо для того, чтобы при недостаточном солнечном излучении, напряжение на СФМ, ставшее ниже, напряжения аккумуляторов, через внутреннее сопротивление СФМ, не разрядило их. При неблагоприятных условиях подзарядка может продолжаться целый световой день. Ночью солнечные батареи нет необходимости отключать от аккумуляторов, поскольку они будут отключены автоматически с помощью диода VD1 [5].

Конденсатор C1 необходим, если, аккумуляторы будут заряжаться в буферном режиме [5]. Буферный режим допускает заряд аккумуляторов током равным 20 -25 % ёмкости, тем самым сокращая время заряда. Но такие режимы не должны регулярно повторяться и производиться в самых необходимых случаях.

Последовательно с СФМ в цепь включен амперметр, показывающий уровень тока на зарядку аккумуляторов [5].

При экспериментальных исследованиях возможностей электромобиля «ВАЗ 2111 Ока Э» на него была установлена аккумуляторная батарея, которая обеспечила пробег электромобиля 60 км на одном цикле заряда, что достаточно фермеру для одного рабочего дня. Емкость установленной аккумуляторной батареи в этом случае составляет 5 А ⋅ ч, номинальное напряжение 520 В.

Мощность солнечной зарядной электростанции составляет:

P cэ = U н ⋅ С · k = 520 ⋅ 5 · 1,35 = 3510 Вт         (1)

где P _cэ – расчётная мощность солнечной зарядной электростанции;

U _н – номинальное напряжение аккумуляторной батареи, В;

С – емкость аккумуляторной батареи, А·ч;

k – коэффициент оптических потерь [6].

Исходя из мощности солнечной зарядной электростанции выбираются СФМ по следующему алгоритму:

Определяется количество СФМ в зависимости от напряжения аккумуляторной батареи, шт.:

n = U АБ ÷ U A = 520 ÷ 12 = 44 шт.              (2)

где n – количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее;

U АБ – напряжение аккумуляторной батареи, 520 В;

U A – напряжение аккумулятора, 12 В.

Определяется мощность одного СФМ, Вт:

P СФМ = P cэ ÷ n = 3510 ÷ 44 = 80 Вт.            (3)

где P СФМ – мощность одного СФМ, Вт;

P _cэ – расчётная мощность солнечной зарядной электростанции, Вт;

n – количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее, шт.

Выбраны солнечные модули Exmork ФСМ-80П 80 Вт.

Расчёт количества СФМ солнечной зарядной электростанции производится, шт.:

n п = P cэ ÷ P пан = 3510 ÷ 240 = 15 шт.            (3)

где n п – количество СФМ, шт.;

P cэ – мощность солнечной зарядной электростанции, Вт;

P пан – мощность одного СФМ, Вт.

Выбранные СФМ подключаются последовательно на крыше гаражного помещения, как показано на рисунке 1.

Выводы.

Был разработан фрагмент фермерской солнечной электростанции с СФМ для заряда аккумуляторных батарей электротранспорта. Исследован вопрос угла наклона СФМ. Построена электрическая схема, рассчитана мощность СФМ, подобраны СФМ по мощности, рассчитано нужное количество СФМ для заряда аккумуляторной батареи.

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5

FARM SOLAR CHARGER FOR ELECTRIC TRANSPORT

Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institute proezd, 5.