Система контроля заряда электрической энергии аккумулятора в солнечной опреснительной установке

По данным исследований [1], солнечная энергия является наиболее эффективным источником энергии для работы опреснительных установок в регионах с высоким уровнем инсоляции. Однако для более северных широт также существует проблема дефицита пресной воды. Для решения этой проблемы в регионах с невысокой солнечной активностью разработана солнечная опреснительная установка с устройством слежения за солнцем (рис. 1).

Установка состоит из опреснителя, в состав которого входят три секции: конденсации, опреснения и очищенной воды. Передача жидкости между секциями осуществляется за счет электромагнитных клапанов, которыми управляют дискретные датчики уровня воды. Солнечные коллекторы, которые находятся в одной плоскости с опреснителем, передают тепловую энергию в емкость для опреснения, в которой вода испаряется и конденсируется на нижней поверхности емкости для конденсации [2].

Рис. 1. Общий вид солнечной опреснительной установки: 1 – солнечная батарея; 2 – устройство слежения за солнцем; 3 – электромагнитный клапан; 4 – солнечные коллекторы

Результаты экспериментальных испытаний, которые проведены в Челябинской области в летний период времени, показали целесообразность использования солнечной опреснительной установки с устройством слежения за солнцем в регионах с невысокой солнечной активностью (рис. 2) [3].

Производительность установки при общей площади солнечных коллекторов 0,16 м2 составляет в среднем 2,8 л в летнее время при работе установки в регионе с умеренным климатом.

Разработана схема автоматизации, которая увеличивает производительность, повышает надежность, уменьшает потребление электрической энергии и обеспечивает автономность работы солнечной опреснительной установки за счет использования дискретной логики управления установкой, состоящей из независимых контуров управления «электромагнитный клапан – дискретный датчик уровня жидкости». Уставки срабатывания датчиков получены во время предварительных испытаний [4]. Все элементы солнечной опреснительной установки потребляют постоянный ток, в связи с чем отсутствует необходимость в преобразователе напряжения, что снижает стоимость системы энергообеспечения.

Потребление электрической энергии солнечной опреснительной установки рассчитывается по следующей формуле:

P pr = P az + P zen + P мк + P klap , Вт, (1) где P_az – мощность электрического домкрата для передвижения солнечного устройства по азимуту; P_zen – мощность электрического домкрата для передвижения солнечного устройства по зениту; P _мк – электрическая энергия, потребляемая микроконтроллером; P klap – электрическая энергия, потребляемая электромагнитными клапанами.

Для обеспечения электрической энергией опреснительной установки предлагается использовать солнечные батареи. Необходимая площадь солнечной батареи F _СМ рассчитана по формуле [5]

FСМ =FCЭnKзап, м2, (2) где FCЭ – площадь одного солнечного модуля 125 × 125 мм; n – количество солнечных элементов в модуле; Kзап = 0,97 – коэффициент заполнения солнечными элементами площади солнечного модуля.

Выработка электрической энергии солнечным модулем в i -м месяце определяется:

Э i = Э вал F СМ m η К K t η Δ ^mP η Δ ^m Э , кВт·ч, (3) где Э_вал – валовой удельный приход солнечной радиации на рассматриваемую площадку, кВт·ч /м²; m – количество модулей в солнечной батарее; η _К – КПД кремниевого солнечного элемента; K_t – коэффициент, учитывающий влияние температуры солнечного модуля на его КПД; η_Δ ^m _P , η_Δ ^m _Э – потери мощности, определяемые последовательным соединением элементов и передачей энергии до потребителя соответственно.

Необходимая мощность солнечных батарей составляет 50 Вт при их общей площади 550 × 450 мм. За основу взяты солнечные батареи из трех солнечных модулей общей площадью 620 × 670 мм, выпускаемые компанией Exmork. Электрическая энергия от солнечных батарей подается на электрический аккумулятор.

При появлении излишков электрической энергии на аккумуляторе, ее целесообразно направлять на индукционный нагреватель, установленный в емкости для опреснения.

Схема использования солнечных батарей в опреснительной установке показана на рис. 3.

По известным формулам был произведен расчет емкости заряда аккумулятора, на основании которого получены необходимые уставки для микроконтроллера, подающего сигнал на подключение индукционного нагревателя через электромагнитное реле при достижении уровня заряда на аккумуляторе в 5 В (100 % заряд аккумулятора) и на отключение нагревателя при заряде аккумулятора в 4,8 В (70 % заряд аккумулятора).

Функциональная схема микроконтроллера показана на рис. 4.

Учет величины напряжения осуществляется на входах VCC и GND, управляющие сигналы находятся на выходах OD и OC.

Для использования микроконтроллером заряда электрического аккумулятора в солнечной оп-

Рис. 2. Производительность солнечной опреснительной установки в Челябинской области (август)

Рис. 3. Схема использования солнечных батарей в солнечной опреснительной установке

Рис. 4. Функциональная схема DW01-P

Рис. 5. Электрическая схема использования нагревателя в опреснительной установке: T1, T2 – транзисторы; КМ1, КМ2 – электромагнитные реле; РМ1 – электрический нагреватель

реснительной установке разработана схема управления распределением электрической энергии с использованием электронагревателя (рис. 5).

Величину заряда на электрическом аккумуляторе осуществляет микроконтроллер DW01-P, при достижении необходимого заряда аккумулятора микроконтроллер через транзистор Т2 и электро- магнитное реле КМ2 подает напряжение на электрический нагреватель РМ1, вследствие чего заряд на аккумуляторе начнет уменьшаться, и при достижении нижней уставки в 4,8 В произойдет отключение электрического нагревателя.

Принцип действия разработанного алгоритма показан на рис. 6, на котором приведена зависи-

и

Рис. 6. Зависимость времени работы устройства слежения за солнцем и электрического нагревателя от заряда электрического аккумулятора: p1 – уставка включения электрического нагревателя по напряжению от аккумулятора; p2 – уставка отключения электрического нагревателя; р3 – уставка включения/отключения устройства слежения за солнцем; с1 – величина заряда электрического нагревателя; t1 – время работы электрического нагревателя; t2 – время работы устройства слежения за солнцем мость времени работы устройства слежения за солнцем и электрического нагревателя от заряда электрического аккумулятора.

Из приведенного графика видно, что точно рассчитать эффективность использования электрического нагревателя, от которого зависит увеличение производительности установки, не представляется возможным, так как продолжительность работы нагревателя зависит от времени работы при максимальной интенсивности солнечного излучения, которая зависит от случайной величины – облачности в течение дня.

При моделировании ситуации, при которой будет максимальная интенсивность солнечного излучения в течение всего дня, с использованием солнечной батареи мощностью 50 Вт и электрического нагревателя постоянного тока мощностью 50 Вт получим следующую величину увеличения производи- тельности опреснительной установки в течение дня (рис. 7).

Производительность солнечной опреснительной установки при использовании электрического нагревателя возрастает на 1,5 л в день и составила в среднем 4 л в день при использовании трубок солнечных коллекторов общей площадью 0,16 м2 в регионе с невысокой солнечной активностью.

Использование солнечной батареи делает установку для опреснения воды полностью автономной, что позволит использовать ее в любом регионе мира вне зависимости от наличия источников электрической энергии. Установка солнечной батареи непосредственно на опреснитель позволяет эффективно использовать преимущество наличия устройства слежения за солнцем и поднять ее производительность на 30 %.

Рис. 7. Производительность солнечной опреснительной установки с электрическим нагревателем (1) и без электрического нагревателя (2)

Таким образом, в результате проведенных исследований был сделан вывод о необходимости использования устройства для контроля заряда аккумулятора и времени работы электрического нагревателя воды в солнечной опреснительной установке. Рассчитаны необходимая мощность электрического нагревателя, емкость аккумулятора, уставки микроконтроллера для подключения электрического нагревателя. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали, что предложенное решение позволит повысить производительность установки без повышения энергопотребления, снижения надежности и значительного увеличения стоимости установки.