Система светодиодного освещения в смешанных сетях постоянного и переменного тока

Одним из персептивных альтернативных энергетических ресурсов по праву считается энергия солнечного излучения. Именно этому виду возобновляемых источников энергии (ВИЭ) уделяется большое внимание во всем мире [1–3], темпы роста в этой отрасли составляют десятки ГВт в год [1, 2]. В основном это касается фотоэлектрического преобразования. Электроэнергия, вырабатываемая от фотоэлектрических модулей (ФЭМ), уже сегодня конкурентоспособна с электроэнергией, генерируемой установками на ископаемых видах топлива [1]. Сфера использования фотоэлектрических преобразователей непрерывно растет. Однако остаются еще проблемы, препятствующие их массовому внедрению. Среди сдерживающих факторов отметим в первую очередь существенные капитальные вложения, необходимость применения аккумуляторных устройств для обеспечения гарантированного электроснабжения в периоды дефицита энергии, необходимость дополнительных преобразований электрической энергии и, соответственно, применения преобразователей, техническую сложность ряда применяемых устройств, в том числе предназначенных для систем на основе сетей smart grid и др. [4–6].

Капитальные затраты во многом связаны с определенной дороговизной технологии, необходимостью применения сложного и дорогостоящего сопутствующего оборудования (устройства отбора мощности, инверторы, аккумуляторные батареи). Поэтому необходим поиск технических решений, призванных упростить и удешевить существующие технологии. Непостоянство солнечного излучения накладывает свои особенности, которые зачастую требуют применения различного рода аккумуляторных систем [7, 8]. В системах не- большой мощности главным образом применяются электрохимические аккумуляторные батареи. Однако на сегодняшний день себестоимость аккумулирования энергии в таких батареях настолько велика [9, 10], что с экономической точки зрения целесообразность их применения видится только в автономных системах или системах, требующих гарантированного резервного питания.

Преобладание сетей переменного тока в распределительных сетях также является одной из основных проблем, препятствующих развитию фотоэлектрических систем (ФЭС), поскольку модули вырабатывают постоянный ток, который требует дальнейших преобразований в переменный. Но стоит отметить, что значительная часть современных бытовых устройств, офисной техники и прочего электрооборудования, будучи рассчитанной на питание от сети переменного тока, содержит в себе преобразователи напряжения с выпрямителями на входе; таким образом, по сути, эти устройства работают от постоянного тока [11–13]. Кроме того, существуют устройства, которые без существенных изменений могут быть переведены на работу от постоянного тока, например, устройства с коллекторными двигателями и резистивными нагревательными элементами. Технически все эти устройства способны работать напрямую от сети постоянного тока, но производители такой возможности не закладывают или не заявляют о ней, и для изменения этой ситуации нужно проделать существенную работу. Таким образом, с развитием возобновляемой энергетики становится особенно перспективным развитие сетей постоянного тока, через которые потребители могли без лишних преобразований и потерь использовать электроэнергию от фотоэлектрических модулей [14, 15]. Важно, что с технической точки зрения это не потребует существенного усложнения устройств и, соответственно, их удорожания. С учетом описанных выше обстоятельств очевидными становится то, что для широкого внедрения ФЭС необходимо развитие сетей постоянного тока [16–20] и смешанных сетей [21–23], которое должно происходить одновременно с распространением потребительской техники с заложенной возможностью работы от сетей постоянного тока, что в конечном итоге приведет к упрощению систем и минимизации аккумулирующих емкостей. На основе изложенной концепции была разработана система освещения на светодиодных светильниках с параллельным электроснабжением от фотоэлектрических преобразователей и электросети общего назначения [15]. В работе проанализированы различные схемы работы предложенной системы с присущими им особенностями. На дальнейших этапах исследований предполагается реализовать некоторые из предложенных схем в реальной установке и провести ряд натурно-исследовательских работ с целью определения особенностей их функционирования.

Методы и материалы

Од н а и з н аи б о лее уни вер саль н ых с хе м среди п р едложе н ны х в р а б о т е [ 1 5 ] п р ед с т а вл ена н а р и с. 1 . Н а е е о с нов е был а раз р або та на и из г от ов л е на фо т о э лек т р и ч еск ая си с т ем а свет о д и о д н о г о о св ещения.

П ит а н ие с в е тод иод н ого и с т очни ка с в е та ос ущ е с твл яе тся от ФЭ М че ре з пов ыша ющ ий пре образователь (DC-DC) в те пе р иод ы , когд а это поз вол яет при х одя щи й пот ок с олне чной эне рги и. В с итуаци ях , ког да при х од с олн е чного из лучен ия (С И) сн ижае тс я и в ыра бот ка Ф Э М па да е т, не дос таток ф отоэл е ктриче ской эне рг и и б у де т ком пе нсиров атьс я с пом ощью с е те в ого пре обра з ов а те л я (АС/DC ), п од кл юче н ного к эл ектриче ской с ети общего назначения.

Использование в данной схеме повышающих и понижающих преобразователей со стабилизаторами напряжения и тока позволяет согласовывать устройства с различным уровнем напряжения и тока на выходе, что существенно расширяет возможности по использованию различных генерирующих устройств и нагрузок. Стабилизатор напряжения (DC-DC) на выходе из ФЭМ работает в широком диапазоне входного напряжения и должен повысить отбор мощности от фотопреобразователей в сравнении с прямым подключением ФЭМ (при согласованном напряжении) к светодиодной нагрузке, а стабилизатор тока (Стаб. I на рис. 1) на входе светильника обеспечивает защиту светодиодов по току. Диоды в схеме служат для защиты от перетоков мощности между генерирующими устройствами в различных режимах работы.

На основе общей схемы системы светодиодного освещения (см. рис. 1) была разработана принципиальная электрическая схема с преобразователями напряжения UV1, c электросетевым преобразователем AG1, со стабилизатором тока UI1, с необходимым дополнительным оборудование и датчиками (рис. 2). В схеме использовалось параллельное подключение светодиодных линеек. Это связано с тем, что рабочее напряжение отдельных линеек (35 В) лишь немного ниже максимального напряжения большинства распространенных повышающих преобразователей (36…40 В). В случае развития и широкого распространения такого рода систем желательно будет использовать по возможности более высокое напряжение c целью снижения потерь. Напряжение предполагается сделать соответствующим рабочему напряжению четырех последовательно включенных линеек (140 В), но вполне вероятно применение и другого напряжения, соответствующего напряжению микросетей, в которых данная система будет функционировать [24–26].

В целях реализации разрабатываемой системы по предложенной схеме был проведен поиск необходимого оборудования. В табл. 1 представлен перечень подобранного оборудования и краткая информация о нем.

Исследование работы разработанной системы светодиодного освещения требует применения

Рис. 1. Схема электрическая общая системы освещения с электропитанием от смешанных сетей и применением повышающего-понижающего преобразователя

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная системы освещения с параллельным питанием от фотоэлектрических модулей и электросети

Таблица 1

Основные характеристики оборудования системы освещения с параллельным питанием от фотоэлектрических модулей и электросети

№ Наименование оборудования Характеристики оборудования 1 Автоматический выключатель Номинальный ток: 2 А Характеристика: С 2 Диоды Шоттки 90SQ045 Напряжение: 45В Ток: 9А 3 Светодиодная линейка LEDPREMIUM 35В 300мА Напряжение: 28–35 В Ток: 300 мА 4 Стабилизатор тока (понижающий преобразователь) QSKJ QS-2405CCBD Напряжение на входе: 7–40 В Напряжение на выходе: 1,2–35 В Ток: 0–8А 5 Повышающий преобразователь QSKJ QS-1224CСBD-150W Напряжение на входе: 10–35 В Напряжение на выходе: 12–35 В Ток: 0–10А 6 Сетевой преобразователь ХD-DC 2425 Напряжение на входе: 230 В Напряжение на выходе: 35 В Ток: 0–7А специализированного устройства для мониторинга постоянно меняющихся параметров. Поэтому на базе платы Arduino Mega было разработано автономное устройство сбора параметров гелиоустано- вок (рис. 3). Разработанное устройство мониторинга позволяет получать основную информацию о работе системы светодиодного освещения в динамике по параметрам тока, напряжения и прихода

Рис. 3. Основная плата автономной системы сбора параметров разработанной системы освещения

Основные технические характеристики применяемых приборов

Таблица 2

Основные параметры Диапазон Точность Постоянное напряжение мультиметра UT61E 0…220 мВ ±(0,1 % + 5) 0…220 В ±(0,1 % + 2) Постоянный ток мультиметра UT61E 220…2200 мА ±(0,5 % + 10) Датчик напряжения на микросхеме INA226 0…36 В ±0,1 % солнечной радиации. Полученная основная информация обрабатывается и сохраняется на специальном внешнем носителе.

Автономная система сбора параметров гелиоустановок включает в себя:

• •    основная плата с микроконтроллером;

• •    цифровой семисегментный индикатор – служит для визуального контроля за рядом текущих параметров работы системы;

• •    мембранная клавиатура – служит для переключения режимов сбора данных и смены отображаемой на индикаторе информации о режимах работы;

• •    часы реального времени – предоставляют точное время для регистрации в журнале данных;

• •    модуль записи/чтения карты памяти – осуществляет запись журнала на карту памяти;

• •    датчики тока и напряжения INA226 – осуществляют измерение и оцифровку значений электрических параметров работы системы;

• •    источник резервного питания на основе литий-ионного аккумулятора – обеспечивает бесперебойность работы системы сбора параметров.

Основной интервал регистрации данных в журнале – 1 с.

Для измерения параметров сети в схеме (см. рис. 2) предусмотрены датчики тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН). Датчики ДТ1, ДН1 обеспечивают измерение рабочих параметров ФЭМ, датчики ДТ2, ДН2 обеспечивают измерения после

DC-DC преобразователя ФЭМ, ДТ3, ДН3 – после сетевого преобразователя АС-DC, а датчики ДТ4, ДТ5, ДН4, ДН5 – до и после стабилизатора тока на светодиодной нагрузке. В качестве датчиков тока и напряжения используются сборки на основе микросхемы INA226 (табл. 2). Поскольку датчик тока (микросхема INA226) использует внешний шунтирующий элемент, то после его установки была произведена их токовая калибровка с помощью мультиметра UNI-T модель UT61E, технические характеристики прибора приведены в табл. 2.

Результаты

Разработанная система светодиодного освещения, работающая в смешанных сетях постоянного и переменного тока от ФЭМ и электросети, прошла ряд натурных исследований на территории ФГБНУ НАЦ ВИМ (рис. 4). Поскольку система построена по модульному принципу, для экспериментов была реализована минимальная по мощности система, состоящая из одного стандартного светильника мощностью 36 Вт, номинальная мощность ФЭМ составляла 65 Вт.

Система показала свою работоспособность, работая в дневное время и в рабочие дни в течение одного месяца. Некоторые данные по работе системы в период проведенных экспериментальных исследований представлены на рис. 5–7. Модуль был ориентирован на юг и установлен под углом 45° к горизонту.

Рис. 4. Фотографии элементов опытного образца системы светодиодного освещения

Для наглядности демонстрации работы си с темы при различных интенсивностях приходящ е го СИ в статье приводятся показатели работы системы в один из дней с переменной облачн о стью. По этим данным можно оценить работу системы как в ясную погоду, так и в условиях облачности (см. рис. 5–7).

Как отмечалось выше, поток мощности от ФЭМ и от сетевого блока питания регулируется за счет уровня напряжения на этих источниках. Р а бочие показатели напряжения на элементах сист емы в один из дней натурных исследований пре дставлены на рис. 5.

Из рис. 5 видно, как меняются напряжения при колебаниях в выработке электроэнергии фотоэлектрическим модулем. Несмотря на снижение напряжения на выходе преобразователя ФЭМ ниже напряжения на выходе сетевого преобразователя в условиях снижения интенсивности СИ, мощность от ФЭМ продолжает поступать на светоди- одные линейки, что можно видеть из графика на рис. 6. Это объясняется тем, что в зависимости от протекающего тока изменяется падение напряжения на диодах Шоттки VD1 и VD2 (см. рис. 2). Таким образом, при одном напряжении в точке после диодов устанавливаются несколько различающиеся напряжения перед диодами, и величина отклонения зависит от текущего соотношения мощностей, поступающих на светильник от сети и от ФЭМ.

Рассмотрим подробнее показатели мощности системы (см. рис. 6). Как видно, в любом интервале времени, в том числе при низком уровне прихода СИ, вся вырабатываемая ФЭМ энергия расходуется на светильнике (не считая потерь на преобразования), а ее недостаток компенсируется сетевой энергией через блок питания. При этом от электросети потребляется именно такое количество энергии, какое необходимо для компенсации недостающей мощности для работы системы

Рис. 5. Показатели напряжения на элементах системы светодиодного освещения: Uпр.сети – напряжение на выходе сетевого преобразователя; Uпр.св – напряжение на входе преобразователя (стабилизатора тока) светодиодных линеек; Uпр.фэм – напряжение на выходе преобразователя ФЭМ

Рис. 6. Показатели мощности элементов системы освещения: Pсв – мощность светильника; Рфэм – мощность на входе преобразователя ФЭМ; Рпр.сети – мощность на выходе сетевого преобразователя

Рис. 7. Показатели эффективности преобразователей: kпр.св – эффективность преобразователя-стабилизатора тока светильника; kпр.фэм – эффективность повышающего преобразователя ФЭМ

освещения в номинальном режиме. Мощность, получаемая светодиодной линейкой, составляет 36–37 Вт и поддерживается относительно неизменной, что и требуется.

Также из рис. 6 видно, что при максимальной выработке ФЭМ в периоды высокой интенсивности солнечного излучения мощность, отводимая от модуля, постоянна и составляет примерно 42 Вт, что существенно меньше номинальной мощности ФЭМ, равной 65 Вт. То есть ФЭМ при высоких значениях интенсивности солнечного излучения работает не в оптимальных режимах вследствие неверно выбранной номинальной мощности ФЭМ. Соответственно, в разработанной системе мощность ФЭМ необходимо подбирать с учетом мощности нагрузки и потерь энергии на преобразование и передачу от источника до нагрузки. Тогда при высокой интенсивности СИ потенциал фотоэлектрической панели будет использоваться максимально эффективно.

В условиях облачности, с одной стороны, снижается приход СИ, с другой стороны, падает эффективность работы повышающего преобразователя, отбирающего мощность от ФЭМ (рис. 7).

На основании полученных данных можно также сделать вывод, что стандартный повышающий преобразователь работает совместно с ФЭМ с достаточно высокой эффективностью. В целом, при достаточном приходе солнечного излучения эффективность преобразования достигает примерно 93 %. И только при существенном снижении интенсивности СИ эффективность преобразования оказывается ниже 85 %, при этом мощность, вырабатываемая ФЭМ, составляет меньше 5 % от общей (см. рис. 7).

Ввиду отмеченных выше особенностей остается открытым вопрос, требуется ли усовершенствование преобразователя на выходе ФЭМ для увеличения эффективности его работы при низкой интенсивности солнечного излучения. Подобная доработка, возможно, не будет оправданна, поскольку преобразуемая электрическая мощность в такие периоды существенно ниже в сравнении с номинальным режимом работы (см. рис. 6 и 7).

Выводы

При поиске возможностей снижения стоимости ФЭС была разработана простая и надежная система освещения, реализующая концепцию прямого подключения потребителей постоянного тока к сетям электроснабжения постоянного тока от ФЭМ с использованием электросети переменного тока общего назначения, образуя смешанные сети. Электросеть переменного тока в данной системе позволила отойти от привычных схем с инвертором и емкостными накопителями и существенно упростить саму систему, что, в свою очередь, положительным образом сказалось на надежности и себестоимости. Предложенная несложная схема позволила создать систему освещения с параллельным электропитанием и с саморегуляцией потоков энергии. При этом нет необходимости контролировать процесс, производить какие-либо переключения в цепи, запасать энергию в аккумуляторные батареи или суперконденсаторы, как это происходит в более традиционных схемах.

Ряд проведенных экспериментальных исследований позволил на практике оценить работу системы и выявить влияние некоторых факторов на работу системы в целом. На практике система светодиодного освещения показала свою работоспособность и, что особенно важно, эффективность работы фотоэлектрических модулей в смешанных сетях постоянного и переменного тока с нагрузкой постоянного тока.

Несмотря на существенное снижение цен на ФЭП за последние десятилетия, фотоэлектрическим технологиям необходимы разработки по повышению эффективности и снижению стоимости систем на их основе. В этой связи разработанная технология прямого использования солнечной энергии для питания потребителей постоянного тока с параллельной работой в смешанных электросетях позволяет сделать определенный шаг к снижению себестоимости вырабатываемой энергии и повышению надежности электроснабжения, что делает нас на шаг ближе к повсеместному использованию солнечной энергии с применением фотоэлектрических преобразователей.