Экспериментальная мобильная ветро-солнечная гибридная энергоустановка

Размещено на http://allbest.ru

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины «Трансмаг»

УДК 620.91

Экспериментальная мобильная ветро-солнечная гибридная энергоустановка

С.В. Плаксин, С.В. Тарасов,

Ю.В. Шкиль

Днепропетровск

Повышение требований потребителей к качеству электроэнергии, объемам и надежности ее поставок с одновременным снижением негативного влияния на окружающую среду энергетических производств, заставляет общество находить востребованные решения.

Одним из таких решений является насыщение существующих инфраструктур распределенными системами энергетических источников с применением альтернативных способов производства энергии. По оценкам приведенным в работах [1, 2] делается предположение, что технологии распределенного генерирования в будущем обеспечат значительную долю требуемого электричества.

Сеть распределенных источников энергии способствует удовлетворению следующих потребностей энергосистемы: разгрузка фидеров; разгрузка трансформаторов; обслуживание отдаленных нагрузок; шевингование; снижение потерь.

В настоящее время вовлечение пользователей в систему распределенной генерации находится в состоянии роста. Система распределенной генерации, базирующаяся на использовании электрических генерирующих устройств расположенных вблизи конечного пользователя и соединенных непосредственно с системой распределения, может обеспечивать существенные выгоды пользователям, так как уменьшаются потери энергии в линиях передачи, обеспечивается поддержка напряжения, уменьшаются потери реактивной энергии.

В систему распределенной генерации могут быть включены такие локальные источники, как микротурбины, топливные ячейки, микро-гидроэлектростанции, ветроэнергетические установки, фотоэлектрические установки. солнечный энергия фотоэлектрический

Фотоэлектрические установки являются квинтэссенцией технологии распределенной генерирации, поскольку они могут устанавливаться с минимальными ограничениями где угодно и производить энергию от долей ватта до десятков мегаватт, являясь при этом практически неисчерпаемым экологически абсолютно чистым источником энергии.

Хотя стоимость фотоэлектрической технологии высока [3], ее уникальные технические характеристики и гармоничная совместимость с окружающим миром приведет к тому, что через несколько десятков лет солнечная энергетика займет доминирующее положение в производстве электроэнергии на мировом рынке.

Фотоэлектрические установки, оснащенные накопителями электроэнергии, включенные в энергетические системы и управляемые общим диспетчером, качественно изменяют функционирование системы, максимально приближая ее к идеальной, т. е. системе, в которой производство и потребление могут быть разделены во времени.

В настоящей статье описана концепция мобильной гибридной энергетической установки (ГЭУ) мощностью 1 кВт предназначенной для отработки инженерных решений построения аппаратуры съема, совместного управления и преобразования ветровой и солнечной энергии, ее накопления и дальнейшей адаптации к нагрузке потребителя.

Эксплуатация действующей установки позволит накопить необходимые статистические данные, как, например, суточный, месячный и годовой баланс солнечной и ветровой энергии в регионе, данные о надежности аппаратуры, даст возможность оптимизировать соотношения мощностей ветроагрегата, фото-преобразователя и емкости аккумуляторных батарей для выработки параметров унифицированного ряда, провести эксперименты по работе установки в составе городской, районной электросети (как элемента распределенной энергетической сети), оценить технико-экономические показатели и т. д.

В результате эксплуатации будут скорректированы требования для изготовления ряда гибридных установок мощностью до 20 кВт.

ГЭУ смонтирована на шасси микроавтобуса ГАЗ (допускается любой аналогичный), что позволяет эксплуатировать ее в полностью автономном режиме в полевых условиях.

Монтаж установки на мобильном шасси обеспечивает возможность гибкого выполнения экспериментальных и опытных работ, проведение выездных демонстрационных выступлений в условиях потенциальных потребителей, участие в выставках, а также является удобным лабораторным местом для обучения специалистов по обслуживанию и эксплуатации ГЭУ различного типа. Установка работоспособна при воздействии дождя, инея, росы, морского тумана, снега, града, пыли; при температуре окружающей среды от - 30С до + 40С; относительной влажности 98 % при +25С и скорости ветра до 20 м/сек.

Оборудование монтируются внутри фургона за исключением панели фотоэлектрических модулей, которые совместно с позиционером устанавливаются на крыше фургона. Ветросиловой агрегат устанавливается на мачте и подсоединяется к фургону посредством силового кабеля. При транспортировке ветроагрегат с мачтовым устройством в демонтированном виде укладывается в фургоне или прицепе.

Фотоэлектрические модули из аморфного кремния крепятся на несущем основании позиционера, образуя плоскость из 4-х конструктивных сборок по 3 модуля в каждой сборке.

В рабочем положении плоскость модулей может вращаться по азимуту (от 0 до 180) и по высоте места (от 0 до 90), что обеспечивается двумя двигателями с червячными редукторами, укрепленными на подвижной платформе на крыше фургона. При транспортировке модули складываются таким образом, что не выступают за габариты фургона (рисунок 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной мобильной ветро-солнечной энергоустановки

Габариты установки в транспортном положении с учетом габаритов транспортного средства не превышают (600250270) см, в развернутом положении (800550420) см.

Масса установки - 1600 кг (без массы автомобиля).

Основные параметры ГЭУ: номинальное напряжение фотоэлектрической батареи - 33 В; номинальный ток фотоэлектрической батареи - 23,4 А; установленная мощность фотоэлектрической батареи - 768 Вт; установленная мощность ветроэнергетической установки - 1 кВт; номинальная емкость аккумуляторной батареи - 720 А.ч; номинальное напряжение на нагрузке - (220 5%) В 1 фаза; частота выходного напряжения - (500,5) Гц; номинальный ток в нагрузке - 5 А; номинальная мощность дизель-генератора - 600 Вт; время отключения инвертора при аномальном отключении сети - 20 мс (короткое замыкание, превышение номинала, частотный и фазовый асинхронизм); уровень защиты - 1Р20.

В состав ГЭУ входят: мобильная платформа (микроавтобус); ветроэнергетическая установка; решетка фотоэлектрическая модулей с двухосным механизмом позиционирования; аккумуляторная батарея; дизель - генератор; инвертор обратимый; регулятор фотоэлектрической панели; счетчики электрические постоянного и переменного тока;

системный блок управления и контроля; силовой кабель; модем; система местокомплекта; комплект документации.

ГЭУ построена по комбинированной схеме. Функционально она разделена (рисунок 2) на подсистему генерирования, подсистему накопления и регулирования, подсистему преобразования и общесистемную сервисную аппаратуру управления.

Рисунок 2. Структурная схема мобильной ветро-солнечной энергоустановки

Подсистема генерирования содержит включающий дизель-генератор и солнечную панель.

Ветроэнергетическая установка ВЭУ-1 мощностью до 1 кВт, состоящая из трехлопастного ротора диаметром 3,1 м с системой регулирования оборотов в зависимости от скорости ветра, электрогенератора на постоянных магнитах (Nd-Fe-B) мощностью 1 кВт с выходным напряжением 28 В. Опора выполняется в виде фермы высотой 11 м.

Дизель-генератор мощностью 0.6 кВт с выходным напряжением 220 В является резервным источником питания. Солнечная панель собрана из 12 фотоэлектрических модулей из аморфного кремния US-64 фирмы UNI-SOLAR (USA) суммарной мощностью 0,768 кВт и выходным напряжением 30 В. Фотоэлектрические модули (7411366 мм) представляют собой конструктивно завершенные устройства прямого преобразования солнечного излучения в электрический ток номинальной мощностью 64 Вт.

Предпочтение отдано модулям на аморфном кремнии, т. к. они работают эффективнее, чем другие кристаллические и тонкопленочные аналоги в условиях неидеальной ориентации носителей в реальных внешних условиях (производится большее Втчас энергии с каждого ватта установленной мощности).

Это повышение производительности, достигающее 20 % и более, обусловлена более высокой чувствительностью при слабой освещенности или рассеянном свете, лучшими температурными показателями и лучшей теневой толерантностью.

Все поступающие на рынок солнечные модули разных производителей, в том числе и модули UNI-SOLAR подвергаются испытаниям в лабораторных условиях по показателям пиковой установленной мощности, т. е. при воздействии прямого солнечного облучения 1000 Вт/м² температуре модуля 25С и стандартным спектром А1,5.

В реальных внешних условиях эта пиковая энергия редко достигается - температура модуля находится в пределах 40-10С, годовая доля солнечного облучения с интенсивностью 1000 Вт/м² составляет около 1, солнечный спектр меняется в зависимости от локального климата, рассеянный свет доминирует при облачном небе или в утренние и вечерние часы.

В Северной, Центральной и Восточной Европе основная солнечная энергия поступает в виде рассеянного света (более чем 50% общей световой энергии) и даже на Юге Испании доля рассеянного света около 30%.

Проведенные испытания показали, что используемые солнечные модули в условиях слабой освещенности (40-100 Вт/м²) на 40% лучше, чем все сегодняшние модули, использующие монокристаллическую технологию.

Это, в итоге, приводит к тому, что в Восточной Европе и Украине в частности, где не самые лучшие показатели солнечной радиации и преобладает рассеянный свет, годовой объем вырабатываемой солнечной энергии Втчас одним Вт установленной мощности на 10-20% выше в сравнении с остальными технологиями.Для более полного съема электрической мощности, батарея фотоэлектрических модулей может ориентироваться строго на Солнце в любое время суток. Процесс ориентации батареи на Солнце заключается в обеспечении направленности нормали к ее поверхности по радиус-вектору, соединяющему топоцентр (точку расположения батареи) и Солнце в течение каждого светового дня года.

Иными словами сферические координаты нормали должны совпадать с координатами Солнца в географической системе координат - азимутом и высотой . Ориентацию обеспечивает позиционер, который управляется по азимуту и высоте по командам встроенного контроллера. Азимут и высота с достаточной степенью точности вычисляются из системы двух уравнений, которые получают путем совмещения географической системы координат и с первой экваториальной системой координат (часовой угол) и (склонение) с началами в точке расположения ГЭУ. В соответствии с [4] уравнения имеют вид:

.

Эти соотношения позволяют вычислять значения высоты места и азимута Солнца, а значит и нормали к поверхности солнечной батареи, для произвольного момента суток (часовой угол ), дня года (склонение ) и широты ГЭУ .

Для проведения расчетов разработана программа на языке MATLAB. Она структурно реализована в виде четырех М-файлов: Script-файла (файла-сценария), управляющего организацией всего вычислительного процесса, включая вывод графической информации, и трех специализированных файл-функции для расчета склонения, векторов азимутальных координат и высот, а также вектора соответствующих значений часового угла. Данные расчетов позволяют формировать управляющие сигналы для сервоприводов системы слежения, обеспечивающей ориентацию нормали к поверхности солнечной батареи на Солнце по двум вращательным степеням свободы.

На рисунок 3 приведена рассчитанная траектория солнца в течение суток по небесной сфере с центром в точке расположения энергетической установки (г. Днепропетровск, Украина) 22 июня 2002 года.

Такой подход позволяет поддерживать направление на Солнце в любую погоду, и это дает выигрыш в произведенной энергии в 1,4 - 1,6 раза в сравнении с неподвижной батареей.

Подсистема накопления и регулирования размещена в фургоне. В ее состав входят 24 свинцово-кислотных аккумулятора напряжением по 2 В типа СН - 500 Ач каждый общим напряжением 24 В, регуляторы мощности, счетчик электроэнергии постоянного тока, регуляторы заряда-разряда на основе коммутаторов.

Рисунок 3. Траектория солнца в течение суток по небесной сфере с центром в точке расположения энергетической установки

Управление работой накопителей осуществляется путем дискретного регулирования заряд-разрядных процессов с ограничением предельных состояний. Две батареи могут обеспечить наиболее благоприятные условия их эксплуатации при работе составе системы энергопоставок с учетом графиков суточной нагрузки и естественного цикла генерирования электроэнергии солнечными модулями.

Алгоритм работы аккумуляторных батарей в суточном цикле следующий. Фотоэлектрические модули, вырабатывая электрический ток в дневное время, обеспечивают накопление электроэнергии в батарее А накопителя, в то время как батарея Б накопителя разряжается на полезную нагрузку, удовлетворяя потребность первого дневного пика.

К моменту разряда батареи Б, батарея А накопителя заряжается энергией от солнца и начнет обеспечивать энергией второй цикл дневной нагрузки. После разряда батареи А, накопитель будет заряжаться избытком энергии ночного провала. Накопитель связан с нагрузками через преобразователь постоянного тока в переменный или переменного тока в постоянный в зависимости от режима работы.

Таким образом организованная регулярность работы аккумуляторных батарей способствует продлению срока службы, а нагрузка всегда получает гарантированную энергию с необходимым качеством.

Время, соответствующее режиму ожидания используется для операций нормировки каждой банки батареи, если в этом появляется потребность по результатам проводимого ежесуточного контроля и диагностики.

Последовательность заряда каждой банки определяется степенью ее заряженности (разряженности) и мощностью энергии, поступающей от фотоэлектрических модулей. Для максимума отбора мощности от панели при разной освещенности, к ее выходу подключается только такое количество банок из батареи, которое наиболее полно произведет отбор мощности от панели при ранней освещенности, при этом к минимуму сводятся потери в регуляторе мощности шунтового включения. При этом чтобы обеспечить равномерный заряд банок в батарее, применен режим доступа к накоплению энергии с временным разделением с одновременным контролем заряженности каждой банки в батарее. Количество циклов заряд-разряд и режимы накопления в каждом цикле принимаются во внимание при прогнозе режима заряда в очередном цикле.

Примененный способ позволяет наиболее полно отбирать мощность от фотоэлектрических модулей в условиях пониженной освещенности, что наряду со свойством аморфного кремния, эффективно работать в рассеянном свете, повышает КПД энергосистемы в целом.

Для улучшения эксплуатационных характеристик аккумуляторов в ГЭУ используется адаптивный принцип заряда аккумуляторов, основанный на том, что зарядные устройства постоянно получают информацию о текущем состоянии и динамическом отклике аккумулятора на зарядные импульсы и использует эту информацию для управления процессом заряда [5], что увеличивает циклируемость, и следовательно срок службы аккумулятора, по сравнению с обычным режимом заряда постоянным током [5].

С этой же целью (продление срока службы аккумуляторов работающих в составе с солнечными панелями с характерной для них нестандартностью потока поступающей энергии), выбран режим недозаряда до 100% и недозаряда 30% аккумулятора по отношению к номинальной емкости. Как указывается в [5], это снижает сульфатацию пластин. Соотношение длительностей зарядных импульсов могут программно изменяться в каждом обращении к любой банке.

Счетчик электроэнергии постоянного тока необходим для учета сгенерированной солнечной энергии.

Подсистема преобразования обеспечивает преобразование постоянного тока напряжением 24 вольта в переменное напряжение синусоидальной формы 220 В 50Гц в режиме ГЭУ на нагрузку (локальная или сетевая) и преобразование переменного напряжения 220 В, 50 Гц в постоянное 24 В в режиме отбора мощности из электросети.

Преобразователь содержит задающий генератор, цифроаналоговые преобразователи двухтактные усилители мощности, нагрузкой которых является выходной трансформатор.

В режиме отбора мощности из сети преобразователь обесточивается, и пониженное выпрямленное напряжение используется для подзаряда батарей аккумуляторов. Для безопасной и напряженной работы ГЭУ в составе электросети предусмотрена частотная и фазовая синхронизация переменного напряжения ГЭУ и переменного напряжения подключенной электросети.

Узлы синхронизации постоянно подключены к электросети и непрерывно следят за параметрами сети, а также ее аномальных состояниях (завышенное напряжение, короткое замыкание) и только при соответствии установленным нормам разрешается подключение уже зафиксированного преобразователя к электросети.

Время реакции на дестабилизирующие факторы составляет несколько периодов переменного напряжения электросети [6].

Совместную работу фотоэлектрических модулей позиционера, ветроэнергетической установки, аккумуляторных батарей и преобразователя обеспечивает подсистема сервисного управления, которая функционально состоит из контролера, модема и интерфейса.

Принципы построения подсистемы позволяют реализовать современные способы управления всеми агрегатами, контроля состояния, профилактики и восстановления характеристик аккумуляторов, безопасной работы в электросети, как в автономном режиме, так и по командам с пульта регионального диспетчера по связи через модем.

Учитывая высокие требования по надежности работы ГЭУ в условиях сложной электромагнитной обстановки, которые могут иметь место, информационная шина строится по схеме двух уравнений на базе CAN- техники, что позволяет без ограничений на скорость передачи для данного изделия получить вероятность приема ложного сообщения не более 4,710^-11, что для 100 % загрузки шины при ее круглосуточной работе 365 дней в году со скоростью 1 Мбайт/с соответствует одной не зарегистрированной ошибке раз в каждые 200 лет.

Перечень ссылок

1. J. Eto, V. Budhraja, C. Martinez, T. Dyer, M. Kondragunta. Research, development and demonstration needs for Large-scale, reliability - enchancing, integration of Distributed Energy Resources - Proc. of the 33-rd Hawaii International Conference on System Science, 2000.

2. V. Budhraja, C. Martinez, T. Dyer, M. Kondragunta. Interconnection and Controls for Reliable, Large scale Integration of Distributed Energy Resources. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, October, 1999.

3. Yurco V., Shkil Y. PV - modules and systems. - Proc. 5-th International Conference " Energy Security of Europe. View to 21 Century ", Kiev, May 22-24, 2002.

4. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике/ Под ред. Г.Н.Дубошина. - М.: Наука, 1976. - 864 с.

5. Подражанский Ю. М. Использование импульсных режимов заряда для повышения эксплуатационных режимов параметров аккумуляторов. Автореф. диссертации на соиск. учен. степени канд. техн. наук. - Днепропетровск, ДГХТУ. -2000.

6. IEEE Standard 929-2000. IEEE Recommended Practice for Utility interface of Photovoltaic (PV) Systems. 2000, 32 pp.

Аннотация

УДК 620.91

Экспериментальная мобильная ветро-солнечная гибридная энергоустановка. С.В. Плаксин, С.В. Тарасов, Ю.В. Шкиль Институт транспортных систем и технологий НАН Украины «Трансмаг», Днепропетровск

Описывается концепция передвижной гибридной электростанции мощностью 1 кВт. Приведены ее структурная схема и параметры. Модель разработана для испытания и адаптации технических решений при производстве более мощных установок.

Анотація

Описується концепція пересувної гібридної електростанції потужністю 1 квт. Наведені її структурна схема і параметри.

Модель розроблена для іспиту та адаптації технічних рішень при виробництві більш мотужних установок.

Annotation

Experimental mobile hybrid wind and solar power plant. S.V.Plaksin, S.V.Tarasov, Y.V.Shkil'

Institute of Transport Systems and Technologies “Transmag”, National Academy of Sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk

The paper describes the concept of 1 kW mobile hybrid power plant. This plant is designed for testing and adaptation of engineering concepts on construction of the facilities for conduction, joint control, conversion and accumulation of wind and solar power, which can be employed in manufacture of more powerful units.

The paper contains main parameters, set-up and structural scheme of mobile hybrid power plant, mounting and transportation procedures as well as the technical solutions serving as the basis for operation of separate subsystems and devices.

Размещено на Allbest.ru