Разработка схемы управления зарядкой аккумуляторов для ветро-солнечной электростанции

Введение.

Важным фактором развития и устойчивого производства сельскохозяйственной продукции является обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии [1-4 и др.]. При этом существенным дополнением к существующим системам энергоснабжения является использование возобновляемых и альтернативных источников энергии: солнечного излучения, ветра, потоков воды, геотермальной энергии и энергии биомассы. Эти тенденции отражены и в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года».

По существующим оценкам технический ресурс возобновляемых источников энергии (преобладающую долю в котором имеет потенциал использования энергии солнца и энергии ветра) составляет не менее 4,5 млрд.т у.т. в год, что более чем в четыре раза превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России. Экономический потенциал ВИЭ зависит от существующих экономических условий; стоимости, наличия и качества запасов ископаемых топливно-энергетических ресурсов; региональных особенностей и т.д. Указанный потенциал меняется во времени и должен специально оцениваться в ходе подготовки и реализации конкретных программ и проектов по развитию ВИЭ (с учетом комплексной оценки их конкретного вклада в достижение указанных 1¹³⁶                 Агротехника и энергообеспечение. - 2021. - № 4 (33)

стратегических целей).

Возобновляемая энергетика способна внести значительный вклад в решение важнейшей проблемы энергообеспечения децентрализованных районов России на долю которых приходится до 70% территории страны с населением до 20 млн. человек.

Наиболее перспективным вариантом построения автономных энергетических комплексов представляется интеграция в дизельную систему электроснабжения ветровых и фотоэлектрических станций.

В тоже время, для автономных электростанций малой мощности, интеграция ВИЭ с дизельными электростанциями удорожает энергетическую систему. Следовательно, необходимо использовать возможности самих ветровых и солнечных электростанций.

Самой главной проблемой при эксплуатации ветровых и солнечных электростанций малой мощности является обеспечение зарядки аккумуляторов этих электростанций, что усложняется при непостоянных и слабых (менее 4 м/с) в данной климатической зоне ветрах и при недостатке солнечного излучения.

В связи с этим возникает острая необходимость в разработке устройства зарядки аккумуляторов для ветро-солнечной электростанции малой мощности, обеспечивающего зарядку двух аккумуляторов при выключении одного из генераторов (ветер или солнце).

Материалы и методы исследований. В основу приведенных исследований положены методы патентного поиска и анализа конструкций автономных электростанций, а также методы анализа структурных схем ветро-солнечных электростанций.

Разработка зарядного устройства для ветро-солнечной электростанции малой мощности.

Самой главной проблемой при эксплуатации ветровых и солнечных электростанций малой мощности является обеспечение зарядки аккумуляторов этих электростанций, что усложняется при непостоянных и слабых (менее 4 м/с), в данной климатической зоне, ветрах и при недостатке солнечного излучения. В связи с этим возникает острая необходимость в разработке устройства зарядки аккумуляторов для ветро-солнечной электростанции малой мощности, обеспечивающего зарядку двух аккумуляторов при выключении одного из генераторов (ветер или солнце) [5-10].

Основные факторы, влияющие на эффективность зарядки аккумуляторов, определяются не только энергетическим потенциалом ветра и солнечного излучения, но и спецификой самих применяемых аккумуляторов и особенностями их эксплуатации, выбором соответствующего оборудования управления работой электрической станции и процессом зарядки аккумуляторов. Как показывают исследования, ветровые и солнечные электростанции могут с успехом дополнять друг друга, работая на общую электрическую нагрузку. Задача состоит в разработке устройства зарядки аккумуляторов для ветросолнечной электростанции малой мощности, обеспечивающего зарядку двух аккумуляторов при выключении одного из генераторов (ветер или солнце).

На рисунке 1 предлагается структурная схема ветро-солнечной электростанции малой мощности, которая базируется на проверенных классических схемах комплектации оборудования, но отличается устройством управления режимами работы и зарядки аккумуляторов, как для ветровой так и для солнечной электростанции. Особенностью разработанной схемы является то, что устройство управления режимами работы и зарядки аккумуляторов включает традиционные контроллеры зарядки ветровой и со лнечн ой

Агротехника и энергообеспечение. – 2021. – № 4 (33) ¹³⁷

электростанции, а также головной контроллер управления аккумуляторов для возможности подзарядки аккумуляторов неблагоприятных погодных условиях. Структурная схема представлена на рисунке 2.

и устройства развязки соседней системы при устройства управления

ВЭУ- генератор ветроэлектрической установки; ФЭМ – фотоэлектрические модули солнечной электростанции; АБ ВЭУ – аккумуляторная батарея ветровой электростанции; АБ ФЭМ – аккумуляторная батарея солнечной электростанции; К3, К4 –контакты управляющих реле

Рисунок 1 - Структурная схема ветро-солнечной электростанции малой мощности

К1, К2 – реле управления зарядкой аккумуляторов; К3, К4 – реле управления подключения электропотребителей

Рисунок 2 - Структурная схема устройства управления режимами работы и зарядки аккумуляторов

Головной контроллер управляет четырьмя управляющими реле К1, К2, К3 и К4. Коммутирующие реле К1 и К2 служат для подключения (отключения) цепи зарядки одной из систем к аккумулятору другой системы. Подключение осуществляется, с учетом степени зарядки аккумуляторов, по управляющим сигналам поступающим к устройствам развязки аккумуляторов УРА1 или УРА2 [11]. Коммутирующие реле К3 и К4 служат для управления работой аккумуляторов ветровой и солнечной электростанций при работе на общую электрическую нагрузку.

Режимы работы и алгоритм управления определяются требованиями к заряду и эксплуатации аккумуляторов.

Вариант применяемого оборудования для конкретного исполнения ветро-солнечной электростанции малой мощности представлен в таблице 1

Таблица 1 - Комплект оборудования для ветро-солнечной электростанции

Наименование оборудования	Модель	Количество, шт
Солнечная электростанция в том числе:
Фотоэлектрический модуль 145Вт12В	CHN145-36P ChinaLand	2
Контроллер заряда	ЕР Solar Tracer МРРТ 3215RN, ЗОА	1
Выносная панель индикации	EPSolar МТ-5	1
Аккумулятор	Leoch LPG 12100	2
Монитор состояния АБ	Studer SBM-02	2
Система крепления солнечных панелей	Для 2-х модулей с регулируемым углом наклона 15- ЗОград	1
Солнечный кабель	FR-Cable 4 мм2	50
Коннектор	МС-4 совместимый	2
Плавкая вставка с держателем 25А	ППН-33-25А габ.О	2
Ветровая электростанция в том числе:
Ветрогенератор трехлопастной	Sun Force DS-600 Вт 12/24В	1
Мачта	9,1 м трубчатая с растяжками для Sun Force	1
Светодиодный прожектор	FD-20W-12VDC 20Вт	1
Устройство защиты от импульсных помех для СБ	УЭФЭС-Ш 160/Юг	1
Автомат защиты выхода постоянного тока для ВЭУ	DC CBI-Q3 ЮЗА	1
Дополнительные материалы (боксы, провода, наконечники и пр)		1

Задача состоит в отладке режимов работы комплекта оборудования в единую энергетическую систему, с определением оптимальных параметров устройства зарядки аккумуляторов для ветро-солнечной электростанции малой мощности с учетом выходных характеристик ветрогенератора и солнечных модулей.

Параметры АКБ можно выбирать непосредственно из технических характеристик, не опираясь на нагрузочные характеристики, так как последние ориентированы на активную, а не реактивную нагрузку (любые электронные приборы являются чисто реактивной (в отличие от активной) нагрузкой и потребляют энергию не более половины всего времени).

Основными параметрами АКБ, необходимыми для расчета мощности, являются его емкость C, и напряжение U, на его отводах. Емкость аккумулятора C измеряется в ампер-часах (АЧ), а при маленькой емкости – в миллиампер-часах (мАч) и определяется максимальным током, который он сможет выдавать в течение требуемого времени:

с = I • т , (1)

где I - ток разряда аккумулятора, А; Т - время разряда, ч.

Энергия W накапливаемая в аккумуляторе, зависит как от его емкости C, так и от напряжения U:

W = С -и, (2) где W- мощность аккумулятора, Вт^ч; U - напряжение аккумулятора (или аккумуляторной батареи), В.

Для варьирования параметрами (напряжением или мощностью) АКБ их можно соединять последовательно или параллельно. При последовательном соединении нескольких АКБ напряжение на крайних отводах составной батареи увеличивается пропорционально их количеству, а емкость не меняется. При параллельном соединении нескольких АКБ общая емкость увеличивается, а напряжение остается неизменным (другими словами, при параллельном подключении АКБ суммарная мощность увеличивается за счет увеличения тока, при последовательном соединении, за счет увеличения напряжения). В обоих случаях мощность увеличивается пропорционально количеству АКБ.

Заключение.

Разработана структурная схема зарядного устройства для ветро-солнечной электростанции малой мощности. Предложен вариант оборудования для конкретного исполнения ветро-солнечной электростанции малой мощности, а также методика выбора параметров аккумуляторной батареи.

Приведенные результаты исследований являются актуальными для повышения эффективности использования ветро-солнечных электростанций.