Режимы работы аккумуляторных батарей в составе солнечных станций для электроснабжения пасек

Введение. Возобновляемые источники энергии стали неотъемлемой частью строительства современных зданий и сооружений, а энергосберегающие технологии применяются во всех сферах жизни современного общества.

Вопрос о круглогодичном бесперебойном электроснабжении становится все более актуальным даже в сферах, где изначально использование электрических устройств было вторично, к таким объектам относятся пасеки. Традиционно считается, что работа пасек производится исключительно в летний период. Однако ряд работ необходимо производить круглогодично. Так, например, интернет вещей проникает в различные отрасли сельского хозяйства, в частности оценка состояния пчел в улье производится при помощи датчиков, измеряющих температуру, влажность и количество CO2, вся информация передается на сервер и обрабатывается при помощи программ. Система датчиков, устройство контроля и передачи располагается в каждом улье и, как следствие, требуется электропитание. Так, для однократного измерения требуется порядка 6 Вт на один улей [1].

В зимний период времени необходимо производить подогрев воздуха в ульях для успешной зимовки пчел. Одним из вариантов реализации является использование солнечных фотоэлектрических станций для электропитания нагревателей, установленных в корпусах ульев [4].

Одним из основных недостатков источников электроснабжения на основе возобновляемой энергетики является непостоянство первичного энергоносителя, а также невозможность использования избытка генерируемой энергии при снижении уровня потребления.

На сегодняшний день существует ряд технологических решений, позволяющих аккумулировать запасы энергии. Так, например, в гидроаккумулирующих электростанциях в моменты снижения электрической нагрузки мощность генераторов направляется на насосы, которые перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний, создавая запас воды. Такая система позволяет не расходовать водные ресурсы и располагать электростанцию на небольших реках. Другим методом является аккумулирование сжатого воздуха. При избытках энергии воздух нагнетается в емкости и хранится под большим давлением, при необходимости высвобождается через турбину генератора.

Одной из последних разработок в этой области является гравитационный аккумулятор. По принципу работы он схож с гидроаккумулирующими гидроэлектростанциями, т.е. в периоды избыточной генерации производится подъем грузов на высоту, тем самым запасается потенциальная энергия, а при необходимости генерации дополнительной мощности, например, в темное время суток или при недостаточной силе ветра, груз под действием силы тяжести опускается вниз, раскручивая генераторы. Такая система более экологична по сравнению с гидроаккумулирующими гидроэлектростанциями и может применяться в различных климатических условиях регионов нашей страны.

Однако перечисленные методы генерации имеют ряд недостатков, они требуют масштабирования и больших затрат на строительство. К тому же преобразование электроэнергии в потенциальную, а затем в кинетическую приводит к дополнительным потерям. Также необходимо помнить о необходимости использования классических генераторов для обеспечения использования запасенной энергии.

Применение литий-ионных аккумуляторов в качестве накопителей также связано с рядом проблем. Так, например, экологические проблемы при производстве и утилизации устройств, а также низкий срок службы по сравнению с вышеуказанными методами и снижение технических характеристик при длительной эксплуатации. Но применение литий-ионных аккумуляторов имеет ряд преимуществ: их можно размещать непосредственно рядом с приемниками; при использовании с солнечными фотоэлектрическими модулями не происходит дополнительного преобразования рода тока. К тому же современные технологии позволяют располагать аккумуляторы в непосредственной близости от потребителя без обустройства специальных помещений, за счет применения герметичных шкафов, защищающих окружающие объекты от химического воздействия или возгорания в случае аварийного выхода из строя аккумуляторной батареи.

Материалы и методы исследования. Зачастую аккумуляторы используют для общей нагрузки без привязки к параметрам конкретного потребителя. Однако при использовании системы аккумулирования совместно с технологическим циклом можно значительно увеличить эффективность использования путем разделения аккумуляторных сбо- рок на группы и чередования режимов заряд/разряд [14].

В электрических установках возобновляемой энергетики, а точнее в солнечных фотоэлектрических станциях мощностью до 10 кВА, как правило, используется инвертор с входным напряжением 48–60 В, что позволяет собирать аккумуляторы последовательно по 4–5 штук в группе.

В общем виде предлагаемое схемное решение показано на рисунке 1.

Для расчета и оптимизации работы аккумуляторных батарей в летний период времени, когда интенсивность солнечного излучения максимальная, и как следствие, наибольший потенциал вы- работки энергии солнечными фотоэлектрическими установками, рассматривались оборудование пасеки на 150 пчелосемей и передвижная платформа для персонала. Передвижная платформа оборудована бытовыми приборами общего назначения, поэтому принимаем нагрузку суммарной мощностью 4 кВА. Оборудование пасеки на 150 семей предполагает наличие механизированных устройств с электрическим приводом для переработки продуктов пчеловодства. Суммарная мощность устройств составляет 6,58 кВт при среднем коэффициенте мощности 0,75, что составляет 8,77 кВА.

2 группа аккумуляторов group of batteries 2

потребитель consumer инвертор inverter контроллер заряда 1 controller of charge 1

1 группа аккумуляторов group of batteries 1

Солнечные панели Solar panels контроллер controller контроллер заряда 2 controller of charge 2

Рисунок 1 – Блок-схема солнечной электростанции Figure 1 – Block diagram of a solar power plant

Параметры инверторов, необходимых для обеспечения работы платформы и пасеки, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры автономных инверторов Table 1 – Parameters of autonomous inverters

Наименование потребителя Name of consumer	Передвижная платформа Mobile platform	Пасека на 150 семей Apiary for 150 families
Параметры инвертора Inveter parametres	4,5 кВА инвертор 4,5 kVA inverter	9 кВА инвертор 9 kVA inverter
Мощность, кВА Power, kVA	4.5	9
КПД, % Coefficient of efficiency, %	93	96
U, В	48	48
U вых , В U out , В	220	220
Частота, Гц Frequency, Hz	50	50
Пиковая мощность, кВА Peak power, kVA	5,50	12

В общем виде для расчета количества аккумуляторов используем формулу pH^t W.

где P_H - мощности нагрузки, кВт;

К о - коэффициент одновременности, учитывающий степень загрузки;

t - среднее время использования нагрузки, ч;

W_A - емкость одного аккумулятора, кВт∙ч.

При общем расчете, не учитывающем графики нагрузок и периоды солнечной активности, для обеспечения работы передвижной платформы необходимо 42 аккумулятора (12 В, 100 А·ч), а для пасеки 146 аккумуляторов того же номинала.

Рассмотрим графики нагрузок пасеки на 150 пчелосемей, которые показаны на рисунке 2. Из графика видно, что наибольшее потребление энергии происходит в период с 8 до 12 часов.

ч h

Рисунок 2 – График нагрузок Figure 2 – Schedule of loads

Одним из возможных вариантов получения энергии для зарядки аккумуляторов в полевых условиях является использование солнечных панелей. Осно- вываясь на данных солнечной активности, принимаем, что в течение 4 часов (в период с 11:00 до 15:00), будет макси- мальное солнечное излучение, а следовательно, КПД солнечных панелей будет наивысшим [6].

Для расчета также принимаем, что за 4 часа с максимальным солнечным излучением необходимо зарядить 90% аккумуляторных батарей, то есть для приведенного примера необходимо зарядить 8 сборок. Необходимый ток для заряда 8 сборок равен произведению количества сборок на их емкость, в нашем случае – 1600 А∙ч, но так как время заряда с максимальной мощностью будет 4 часа, то ежечасно нам необходимо обеспечивать ток 400 А для заряда аккумуляторных батарей.

Аналогично для общебытовой нагрузки достаточно 2 группы аккумуляторов, т.е. общая емкость составляет 200 А·ч и для заряда необходимо обеспечить ток 50 А в периоды максимальной солнечной активности.

В общем случае, для расчета отдаваемой энергии солнечных панелей используется следующая формула:

ш 1-К0-Рм-Кпот

W = -----Ри----- '

где I - усредненный показатель интен- сивности солнечного излучения на горизонтальной поверхности, кВт∙ч/м2;

К0 - коэффициент, учитывающий угол наклона;

Р_м - мощность солнечного модуля, кВт;

К_пот - процент потерь солнечной станции, при общем расчете составляет 10% от общей мощности;

Р_и - мощность интенсивности солнечного излучения, при которой проводится измерение, 1000 Вт/м².

При расчете по формуле (2), с учетом параметров солнечной активности и способов установки панелей для Краснодарского края и с учетом того, что одна солнечная панель отдает 180 Вт/м2, получим, что для обеспечения указанных мощностей необходимо 60 солнечных панелей для пасеки и 30 солнечных панелей для общей нагрузки [8].

Расчет необходимого количества солнечных панелей будем производить, основываясь на вольт-амперных характеристиках солнечных батарей, в качестве основного параметра используя отдаваемый ток. Как показал расчет, произведенный ранее, для заряда аккумуляторов наших потребителей необходим ток 400 А и 50 А (пасека на 150 пчелосемей и бытовая нагрузка соответственно). С учетом максимальной солнечной активности и параметров, влияющих на отдачу энергии одной панели (угол падения солнечных лучей, прозрачность атмосферы, запыленность поверхности), одна солнечная панель может обеспечить ток 10 А, и, как следствие, для обеспечения тока заряда аккумуляторов пасеки необходимо 40 панелей, а для общебытовой нагрузки 5 панелей, т.е. 80 м2 и 10 м2 соответственно.

Результаты исследования и их обсуждение. Произведенный анализ и расчет показали, что для электроснабжения пасеки на 150 ульев от автономной системы в летний сезон требуется 40 аккумуляторов (12 В, 100 А·ч), сгруппированных в 8 сборок. Группировка аккумуляторов по 5 штук в каждой сборке позволяет получить напряжение на уровне 55–65 В, что является оптимальным для ряда инверторов малой мощности. На основании статистики солнечной активности на территории Краснодарского края наиболее оптимальным временем заряда аккумуляторов является период с 10 до 16 часов, т.е. заряд всех аккумуляторных сборок должен быть осуществлен в указанный промежуток времени. Использование нескольких аккумуляторных сборок также позволяет произ- водить заряд без прерывания электроснабжения за счет переключения из рабочего режима в режим заряд. Исходя из этого и графика нагрузки оборудования составим график заряд/разряд для работы аккумуляторных сборок, которые показаны на рисунке 3.

а а

ч h

б b режим разряда а – для пасеки на 150 пчелосемей; б – для общебытовой нагрузки Рисунок 3 – График заряд/разряд __ – charge mode; Ei – discharge mode a – for an apiary with 150 bee colonies; b – for general household load Figure 3 – Charge/discharge graph

Как видно из графика (рисунок 3 а ), для большинства сборок заряд производится непосредственно перед эксплуатацией, это сделано в целях уменьшения влияния эффекта саморазряда на рабочий процесс. В случае избыточной мощности от солнечных панелей можно производить заряд аккумуляторных сборок, не задействованных в рабочем цикле и очередности заряда.

Выводы. Исходя из вышеизложенного, для обеспечения электроэнергией бесперебойно в летний период, с учетом графика нагрузки, для пасеки на 150 пчелосемей необходимо 40 солнечных панелей и 40 аккумуляторов, а для передвижной платформы персонала – 5 панелей и 10 аккумуляторов, т.е. суммарно необходимо 45 солнечных панелей отдаваемой мощностью 180 Вт/м2 каждая, а также 50 аккумуляторов с параметрами 12 В, 100 А·ч. Для сравнения, при общем расчете без учета режима работы и графиков нагрузок необходимо для пасеки 60 солнечных панелей и 146 аккумуляторов, а для обеспечения энергией быто- вой нагрузки – 30 панелей и 42 аккумулятора. Таким образом, методика расчета с учетом графика нагрузок позволяет снизить более чем в два раза количество оборудования солнечной станции по сравнению с общепринятыми методами расчета и, как следствие, капитальные и текущие затраты на её функционирование.