Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей электроснабжения технологических процессов в рыбоводстве 13
1.1 Состояние и перспективы развития пресноводной аквакультуры 13
1.2 Технологии и электрооборудование рыбоводных хозяйств 18
1.3 Особенности электроснабжения рыбоводных хозяйств 26
1.4 Питание электроприемников фермерских рыбоводных хозяйств с использованием солнечных фотоэлектрических установок 31
1.5 Научные исследования по повышению эффективности и обоснованию оптимальных параметров фотоэлектрических установок для сельскохозяйственных потребителей 38
1.6 Выводы, цель и задачи исследования 40
2 Теоретическое обоснование параметров и режимов работы солнечных фотоэлектрических установок 44
2.1 Построение и анализ графиков электрических нагрузок рыбоводных хозяйств 44
2.2 Разработка структурно-схемных решений фотоэлектрических установок 50
2.3 Характеристики и параметры ионисторов в составе гибридного накопителя энергии фотоэлектрической установки . 54
2.4 Математическое описание фотоэлектрической установки с гибридным накопителем 59
2.5 Методика расчета оптимальных параметров автономной фотоэлектрической установки с батареей ионисторов 67
2.6 Выводы по второй главе 76
3 Результаты экспериментальных исследований автономной фотоэлектрической установки с гибридным накопителем энергии 78
3.1 Цель, программа и методика экспериментального исследования 78
3.2 Имитационное моделирование характеристик солнечных модулей 79
3.3 Разработка экспериментальной фотоэлектрической установки с гибридным накопителем 86
3.4 Экспериментальное исследование характеристик фотоэлектрической установки с гибридным накопителем . 88
3.5 Моделирование и расчет фотоэлектрической установки 96
3.6 Выводы по третьей главе 98
4 Технико-экономическая оценка использования автономной фотоэлектрической установки 99
4.1 Расчет капитальных затрат 99
4.2 Определение эксплуатационных показателей 101
4.3 Определение эффективности инвестиций от внедрения фотоэлектрической установки . 103
4.4 Выводы по четвертой главе 106
Заключение 108
Литература 111
Приложения 128
Приложение 1 Фотоэлектрические станции для рыбоводных хозяйств 129
Приложение 2 Принципиальная схема и спецификация экспериментальной установки . 130
Приложение 3 Результаты экспериментальных измерений 132
Приложение 4 Акт внедрения в производственный процесс 133
Приложение 5 Акт внедрения в учебный процесс 135
Приложение 6 Патенты, свидетельства 136
- Особенности электроснабжения рыбоводных хозяйств
- Характеристики и параметры ионисторов в составе гибридного накопителя энергии фотоэлектрической установки
- Экспериментальное исследование характеристик фотоэлектрической установки с гибридным накопителем
- Определение эффективности инвестиций от внедрения фотоэлектрической установки
Введение к работе
Актуальность. Рыбоводство – одно из ключевых направлений агропромышленного комплекса, основанное на выращивании в естественных и искусственных водоемах товарной рыбы. Для малых фермерских рыбоводных хозяйств (ФРХ), находящихся в отдалении от существующих электрических сетей, требуются автономные электростанции мощностью до 10 кВт. Дизель- и бензоэлектрические станции требуют организации запасов топлива и частого технического обслуживания. Эти обстоятельства указывают на актуальность использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В условиях ЮФО и Краснодарского края целесообразно и перспективно использование солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ). Однако при нестабильной выработке и неравномерных графиках электрических нагрузок в ФРХ, возникает проблема низкого срока службы аккумуляторных батарей (АКБ), замена которых связана с дополнительными эксплуатационными затратами.
Срок службы свинцово-кислотных АКБ в составе СФЭУ составляет от 1,5 до 4 лет и зависит от количества и характера циклов «заряд – разряд» в процессе эксплуатации. Аккумуляторы работают в циклическом режиме, в определенные периоды возникает глубокий разряд и недозаряд; при этом проявляются «эффект памяти» и сульфатация.
Обзор комплектных СФЭУ показал, что емкость АКБ зачастую необоснованно завышена. Для поддержания ресурса АКБ следует обеспечить более мягкий режим их эксплуатации. Таким образом, вопросы научного обоснования параметров и режимов работы СФЭУ имеют актуальность.
Работа выполнена по плану НИР Кубанского ГАУ № ГР АААА-А16-116021110059-9, раздел 27.12 (2016–2020 гг.).
Степень разработанности темы. Известны методики формирования автономных и резервных СФЭУ для фермерских хозяйств. Учеными предложены конструкции сол-
нечных электростанций с энергоемкими конденсаторами для импульсного питания нагрузки без использования АКБ. Однако не рассмотрены варианты совместного использования современных электрохимических суперконденсаторов (ионисторов) совместно с АКБ в составе СФЭУ. В этой связи необходимо выполнить обоснование оптимальных параметров СФЭУ и предложить структурно-схемное решение, направленное на снижение эксплуатационных затрат при обеспечении автономного электроснабжения ФРХ.
Рабочая гипотеза – применение батареи ионисторов, поключенной к промежуточной шине постоянного тока, позволит оптимизировать основные параметры, а также улучшить эксплуатационные характеристики фотоэлектрических установок мощностью до 10 кВт.
Цель работы – обоснование параметров и режимов работы фотоэлектрических установок с использованием иони-сторов для снижения эксплуатационных затрат на электроснабжение фермерских рыбоводных хозяйств.
Задачи исследования:
1. Проанализировать особенности электроснабжения
технологических процессов рыбоводных хозяйств и по
строить суточные графики электрических нагрузок в перио
ды производственных циклов.
-
Проанализировать известные схемы солнечных фотоэлектрических установок и разработать структурно-схемные решения с применением ионисторов.
-
Привести аналитическое описание параметров фотоэлектрической установки с гибридным накопителем энергии.
-
Разработать методику расчета оптимальных параметров фотоэлектрических установок с гибридным накопителем энергии.
5. Разработать имитационную модель для получения
характеристик фотоэлектрических преобразователей.
6. Провести экспериментальные исследования режимов
работы элементов автономной фотоэлектрической установ
ки и получить зарядно-разрядные характеристики гибрид
ного накопителя энергии.
7. Выполнить технико-экономическое обоснование
применения фотоэлектрических установок для автономного
электроснабжения рыбоводных хозяйств (в климатических
условиях Краснодарского края).
Методы исследований: системный анализ; теоретические основы электротехники и силовой электроники, методы оптимизации; имитационное моделирование в программах Matlab/Simulink, PVSOL; методика планирования эксперимента. Обработка расчетных и экспериментальных данных выполнена с использованием программы Microsoft Office Excel.
Объектом исследования является солнечная фотоэлектрическая установка с гибридным накопителем энергии на промежуточной шине постоянного тока.
Предмет исследования – зависимости параметров и режимов работы фотоэлектрической установки с гибридным накопителем энергии от уровней поступления солнечной энергии и графиков электрической нагрузки рыбоводных хозяйств.
Научная новизна заключается в следующем:
– получены аналитические выражения, связывающие основные параметры фотоэлектрической установки при применении ионисторов;
– предложен коэффициент оптимальной мощности, входящий в выражение целевой функции выходной мощности фотоэлектрических установок;
– приведена функциональная связь параметров гибридного накопителя, позволяющая произвести выбор емкости батареи аккумуляторов и ионистров при резкопеременных нагрузках, характерных для фермерских хозяйств;
– разработана методика инженерного расчета оптимальных параметров солнечной фотоэлектрической установки с гибридным накопителем энергии.
Техническая новизна защищена патентом РФ на полезную модель №168497.
Теоретическую и практическую значимость составляют:
– графики электрической нагрузки рыбоводных хозяйств в периоды производственных циклов для обоснованного выбора мощности автономных и резервных электростанций;
– новые структурно-схемные решения, применяющиеся при проектировании и расчете автономных и резервных фотоэлектрических установок с использованием емкостного накопителя;
– имитационная модель в Matlab/Simulink, позволяющая оценить выходные характеристики и точки максимальных мощностей солнечных модулей при изменении уровней освещенности и температуры;
– экспериментальные зарядно-разрядные характеристики гибридного накопителя энергии, использующиеся при выборе и настройке параметров контроллеров заряда, входных параметров инверторов автономных и резервных фотоэлектрических установок не только для фермерских хозяйств, специализирующихся на выращивании товарной рыбы, но и для других сельскохозяйственных потребителей и быта населения;
– результаты технико-экономического расчета применения фотоэлектрической установки для отдаленного фермерского хозяйства, позволяющие оценить капитальные и эксплуатационные затраты на электроснабжение по сравнению с использованием жидкотопливного генератора.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Структурно-схемные решения, применяющиеся при
проектировании и расчете автономных и резервных фотоэлектрических установок с использованием емкостного накопителя.
2. Аналитические выражения, связывающие основные
параметры фотоэлектрической установки с гибридным
накопителем энергии; выражение целевой функции выход
ной мощности фотоэлектрических установок, содержащее
коэффициент оптимальной мощности.
3. Методика, позволяющая производить расчеты опти
мальных параметров фотоэлектрических установок с ги
бридным накопителем энергии.
4. Имитационная модель в Matlab/Simulink, позволяю
щая оценить выходные характеристики и точки максималь
ных мощностей солнечных модулей при изменении уровней
освещенности и температуры.
-
Экспериментальные зарядно-разрядные характеристики гибридного накопителя энергии, использующиеся при выборе и настройке параметров контроллеров заряда, входных параметров инверторов автономных и резервных фотоэлектрических установок не только для фермерских хозяйств, специализирующихся на выращивании товарной рыбы, но и для других сельскохозяйственных потребителей и быта населения;
-
Результаты технико-экономического расчета применения фотоэлектрической установки с гибридным накопителем для отдаленного фермерского рыбоводного хозяйства, позволяющие оценить капитальные и эксплуатационные затраты на электроснабжение по сравнению с использованием жидкотопливного генератора.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс ООО «Клеопатра» (Приморско-Ахтар-ский р-он Краснодарского края), а также в учебный процесс кафедры «Электротехники, теплотехники и возобновляемых
источников энергии» факультета энергетики ФГБОУ ВО Кубанского ГАУ (г. Краснодар).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2014-2016 гг.); IV Всероссийской научно-технической конференции: «Инженерные исследования и достижения – основа инновационного развития» (Рубцовск, 2014 г.); VI Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Иваново, 2015 г.); VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Инструменты современной научной деятельности» (Магнитогорск, 2016 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, одна коллективная монография. Автором получен патент на полезную модель № 168497. Общий объем публикаций – 6,0 п.л., из них личный вклад автора – 4,1 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 145 наименований и приложения. Диссертация изложена на 137 страницах компьютерного текста, включая 9 страниц приложения, содержит 67 рисунков, 13 таблиц.
Особенности электроснабжения рыбоводных хозяйств
Товарное рыбоводство должно развиваться на интенсивной основе при реконструкции и техническом перевооружении хозяйств с внедрением энергосберегающих технологий [53]. Подпрограммой «Развитие аквакультуры» [101] предусмотрена поддержка технических решенийи мероприятий по энергосбережению в области аквакультуры.
Электроснабжение рыбоводных хозяйств (РХ) и предприятий производится в основном от существующих электрических сетей. Для автономного и резервного электроснабжения небольших фермерских хозяйств, которые находятся, как правило, на окраине сельских поселений, сегодня используются дизель– и бензоэлектрические станции. Для одновременной выработки электрической и тепловой энергии (когенерации) применяются газопоршневые электростанции [64].
По причине высокой степени износа сельских распределительных сетей, прилегающих к РХ, происходят частые отключения электроэнер-гии.Анализ статистических данных показывает, что в сельской местности в настоящее время отмечается снижение показателей надежности электроснабжения: на ВЛ 0,38 кВ за год в среднем происходит 100 отключений на 100 км [43]. Средняя продолжительность отключения – 90 ч в год [114]. При этом, наибольшее количество отключений приходится на период с мая по август, в то время как в рыбоводных хозяйствах технологический процесс достигает своего пика.
Сельские электрические сети – важный элемент инженерной инфраструктуры сельской местности. В сельской местности потребляется порядка 13% от всего объема электропотребления страны. Как известно, электроснабжение нагрузок сельскохозяйственных потребителей имеет свои особенности [30]:
– пониженная надежность сельских электрических сетей (частые короткие замыкания на землю, межфазные короткие замыкания и обрывы проводов);
– частые перерывы в электроснабжении по причинам перегрузок и изношенности оборудования сетей;
– сельские потребители обеспечиваются электроэнергией более низкого качества из-за многократных трансформаций напряжения, отсутствия устройств регулирования напряжения;
– сельские потребители электроэнергии обслуживаются менее квалифицированным персоналом, а дежурный электротехнический персонал, на которого возложено включение в случае необходимости резервного источника электроснабжения, располагается, как правило, на достаточно большом удалении от резервируемых объектов электроснабжения.
Главной особенностью электроснабжения производственных предприятий и населенных пунктов в сельской местности является необходимость подводить энергию к небольшому числу сравнительно малогабаритных объектов, рассредоточенных по территории [35].
В России существенная доля находящихся в эксплуатации линий и электрооборудования (до 70%). Участившиеся природные катаклизмы показали, что в районах централизованного энергоснабжения назрела необходимость развития малой распределенной генерации, решающей проблему повышения надежности энергоснабжения потребителей в небольших населен ных пунктах, электроснабжение которых сегодня осуществляется через ЛЭП [121, 128].
Исходя из этого, необходимо наряду с реконструкцией и техническим перевооружением традиционной энергетики развивать малую распределенную энергетику, в том числе с широким использованием ВИЭ [17, 38, 39, 88].
Одним из направлений, способствующих повышению надежности электроснабжения и росту энергоэффективности объектов сельскохозяйственного производства, является разработка и внедрение систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности, солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).
Особенностью СФЭУ является непостоянство (нестабильность) выдаваемых ими уровней мощности. Отсюда возникает необходимость в накопителях энергии (НЭ), которые способны эффективно накапливать избыточную электроэнергию во время пиковой генерации и отдавать ее во время снижения мощности, генерируемой ВИЭ, удовлетворяя требования по надежности и качеству электроснабжения конкретных потребителей. В установках, имеющих подключение к сети, наличие НЭ (например, гибридных накопителей на основе аккумуляторных и суперконденсаторных батарей) и связанных с ними преобразователей позволяет сглаживать пиковые нагрузки и на определенное время сохранить электропитание потребителей при отключениях основной сети [73].
В прудовом рыбоводстве суточные графики нагрузок имеют неравномерный характер с четко выраженными периодами повышенного потребления электроэнергии и характеризуются следующими параметрами: коэффициент заполнения – 0,72; коэффициент формы – 1,03; средняя мощность – 4,4 кВт [46]. Большинство отдаленных рыбоводных участков характеризуются уровнем электрической нагрузки в пиковые периоды не более 1,5 кВт [31]. В прудовых и садковых хозяйствах следует отметить относительно низкие затраты топлива и электроэнергии [40]. На Кубанских лиманах в нерестово выростных хозяйствах (НВХ) водоподача осуществляется самотеком, что сводит затраты электроэнергии к минимуму.
В хозяйствах интенсивного рыбоводства необходима постоянная аэрация и подпитка прудов и бассейнов свежей водой, то есть перебои в электроснабжении могут привести к значительным отходам выращиваемых гидро-бионтов. Экономический ущерб в таких случаях бывает чрезвычайно высок [99]. Фермерские РХ можно классифицировать как потребителей со смешанной производственно-бытовой нагрузкой.
Рыбоводные ферм с УЗВ, относятся к потребителям второй категории, не допускающих перерыва в электроснабжении более 0,5 ч. Недопустимо продолжительное отключение таких ответственных нагрузок, как: аэраторы, оксигенераторы, циркуляционные насосы.
Инкубационные цехи рыбоводных хозяйств и ферм относятся к потребителям второй категории электроснабжения [132]. Нормами проектирования электрических сетей напряжением 0,38 кВ для наиболее ответственных потребителей второй категории установлен перерывы в электроснабжении не более 3,5 ч. При этом должен быть предусмотрен автономный источник резервного питания с автоматическим запуском.
Основные расходы при выращивании рыбы в УЗВ идут при подготовке поступающей воды и поддержании оптимальной ее температуры [13]. Существенной проблемой товарного рыбоводства является переход от экстенсивного к интенсивному ведению хозяйства. При интенсификации процессы перекачивания и аэрации воды влекут за собой повышенный расход электроэнергии [9].
Основная доля затрат на электроэнергию в хозяйствах интенсивного рыбоводства приходится на обеспечение работы насосных и аэрационных установок, а также на подогрев воды. Во многих УЗВ удельное потребление электроэнергии составляет 1,83,2 кВтч /кг рыбной продукции [140]. При установленной мощности 5 кВт ориентировочная потребность в электроэнергии будет составлять порядка 40 тыс. кВтч/год. Согласно данным датской компании «BopilAqua a/s» ежемесячные затраты на энергоснабжение рыбоводных хозяйств индустриального типа могут составлять до 15% от совокупных затрат (рисунок 1.14).
Характеристики и параметры ионисторов в составе гибридного накопителя энергии фотоэлектрической установки
При расчете параметров солнечных электростанций важным является обоснование применения накопителей электроэнергии (НЭЭ) [126]. Следует учитывать энергоемкость, разрядную мощность, длительность разряда и КПД НЭЭ [4, 75].
Особенностью СФЭУ является нестабильность выдаваемых ими уровней мощности. Отсюда возникает необходимость в аккумуляторах, которые способны эффективно накапливать электроэнергию от ФЭП и покрывать текущий уровень нагрузки потребителя [83].
Для СФЭУ предлагаются специальные свинцово-кислотные аккумуляторы с гелевым электролитом и пластинчатыми либо тубулярными электродами, обладающие повышенными эксплуатационными показателями.
Среди НЭЭ, предлагающихся на сегодняшний день для использования в отрасли возобновляемой энергетики, особый интерес представляют электрохимические супеконденсаторы (ионисторы), обеспечивающие отдачу высокой мощности за короткое время и сглаживающие неравномерности генерации от ФЭП. Ионистор – сверхвысокоемкий конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, с двойным электрическим слоем («обкладками») на границе раздела электродов и электролита (международное обозначение: EDLC – Electric double-layer capacitor).
Отличительные особенности ионисторов: способность заряжаться от нескольких секунд до нескольких минут (благодаря небольшой постоянной времени); способность разряжаться, отдавая высокие мощности; длительный срок службы; широкий диапазон рабочих температур (-40 оС...+70оС); КПД 95 – 97%; относительно низкое внутреннее сопротивление (0,35..100 мОм).
К основным эксплуатационным и энергетическими показателям иони сторов относятся: постоянная времени разряда RC; удельная энергия, кДж/кг; удельная мощность кВт/кг.
Двухслойный суперконденсатор состоит из двух пористых электрон-проводящих электродов, в пространстве между которыми находится электролит (рисунок 2.8) [117].
Энергия в виде статического электрического заряда накапливается между двумя обкладками на границах раздела «анод-электролит» и «катод-электролит».
Напряжение ионистора составляет 1,8...3 В, номинальная емкость – до 5000 Ф, вес – до 1 кг; удельная мощность – до 20 кВт/кг [25, 115]. По сравнительным характеристикам ионисторы занимают промежуточное положение между оксидно-электролитическими конденсаторами и АКБ (рисунок 2.9) [78].
От аккумуляторов ионисторы отличаются существенно меньшей энергоемкостью и повышенной удельной мощностью. Недостатком является повышенный ток саморазряда.
Выразим максимальный ток ионистора 1тах, А: где At - время разряда, с; С-емкость, Ф; R - сопротивление, Ом; UH - номинальное напряжение, В.
Максимально запасаемая энергия в ионисторе WmaX) Вт ч: Заряд ионисторов. При включении источника ЭДС при U3ap- = const через ионисторы начинает протекать зарядный ток: /зар.ион.(0= Й (2.3) где Uзар- напряжение при заряде.
Проинтегрировав по времени, получим зависимость напряжения на /-ом ионисторе батареи по времени:
Заряд Q возрастает с постоянной скоростью, пропорцонально току 4ар.ион.. Так, постоянная времени RC = 24 (при токе заряда 25А и емкости ионистора 24Ф).
При разрядке ионистора на нагрузку первоначально напряжение падает на некоторую величину, после чего разрядная кривая принимает вид экспоненты [76]. На рисунке 2.10 приведем зарядно-разрядную характеристику и характеристику саморазрядки ионистора К58-15 (10 Ф, 5,5 В).
Установлено, что после снижения напряжения на ионисторе до 70% от номинального по причине саморазряда, срок хранения оставшегося заряда резко увеличивается.
Для ионисторов удельная энергия связана с удельной мощностью следующим уравнением [121]: где еион - удельная энергия ионистора; рион - удельная мощность иони стора, Мион - масса ионистора; а(1) = дД - Рион, а(4) = Vі 4Рион Эффективным представляется применение ионисторов в системах с резкопеременнымии пиковыми нагрузками, например, в автономных фотоэлектрических водоподъемных установках, применяемых на удаленных фер мерских хозяйствах, где запуск двигателя насоса сопровождается кратковременным броском пускового тока [12, 59, 60].
При использовании аккумуляторных батарей совместно с ионисторами продлевается срок службы АКБ ввиду того, что конденсаторы берут на себя часть нагрузки, ограничивая максимальный ток, и к тому же поддерживают уровень напряжения на АКБ [27, 136, 137].
Экспериментальное исследование характеристик фотоэлектрической установки с гибридным накопителем
Составим программу и методику экспериментальных исследований. В экспериментальной части диссертационной работы следует провести следующие измерения и построить соответствующие характеристики:
1) исследовать процесс заряда-разряда батареи ионисторов в составе автономной фотоэлектрической установки при фиксированной освещенности, температуре, токе заряда U=f (T) при E = const, t = const, Iзар = const;
2) время разряда батареи ионисторов в зависимости от нагрузки P = f(T), I = f(T) при разряде от 16,2 до 12 В; снять характеристику саморазрядки батареи ионисторов в течение суток U = f (T);
3) исследовать характеристики совместной работы АКБ и ионисторов;
4) исследовать влияние БИ на уровень напряжения на промежуточной шине постоянного тока;
5) провести натурные испытания следующих подсистем:
A) «Солнечная батарея-блок ионисторов-нагрузка»;
Б) «Солнечная батарея-устройство заряда-блок ионисторов автономный инвертор-нагрузка»;
B) «Солнечная батарея -контроллер-аккумуляторная батарея устройство заряда- блок ионисторов - автономный инвертор-нагрузка».
В соответствии с установленной программой и методикой проведем испытания следующих подсистем:
1. Подсистема «А» (рисунок 3.11)
В приведенных схемах не используется АКБ; инвертор включается только при заряженных ионисторах. Область применения системы: электропитание выделенных нагрузок в дневное время. Продолжительность работы напрямую зависит от уровней энергетической освещенности и характеристик батареи ионисторов.
На рисунке 3.13 показаны фрагменты проведения экспериментальных испытаний автономной СФЭУ с ГНЭ на кафедре электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии факультета энергетики Кубанского ГАУ им. И.Т. Трубилина.
Предусмотрена балансировка напряжения между ячейками. Прямое подключение батареи ионисторов к зарядному устройству недопустимо, так как при зарядке может привести к дисбалансу напряжения между ячейками, что может привести к сокращению жизненного цикла и повреждению батареи. При проведении экспериментальных исследований применялась система пассивной балансировки напряжений с помощью резисторов.
1. Исследование процесса заряда-разряда ионисторов в составе автономной фотоэлектрической установки
Для проверки работоспособности и эффективности предлагаемых технических решений выполнена серия экспериментов, подтверждающих устойчивую работу физической модели СФЭУ с ГНЭ во всех запланированных режимах:
– наброс и сброс нагрузки при постоянной интенсивности солнечного излучения, при ее увеличении и снижении;
– постоянная нагрузка при изменении уровней интенсивности солнечного излучения.
В приложении 3 приведены таблицы с результатами проведенных измерений. На графике (рисунок 3.14) представлены кривые заряда батареи ио-нисторов (500Ф; 16,2В) от солнечной батареи (100 Вт) при различных уровнях энергетической освещенности. Интенсивность солнечного излучения измеряется прибором CEM LA-1017, температура на поверхности солнечных модулей – инфракрасным термометром Mastech MS-6530.
Анализируя полученные характеристики, можно заключить, что начальный участок зарядной кривой аппроксимируется законом растянутой экспоненты
На больших временах релаксация степенная: (t-). Степень может принимать значения в диапазоне от 0,5 до 0,7, а – от 0,8 до 1,2.
Здесь следует отметить, что оптимальный угол наклона солнечных модулей к горизонту для условий ЮФО составляет: 45 – весной и летом; 60 – осенью и зимой. Повысить выработку электроэнергии от ФЭП возможно, применив системы слежения за солнцем, при этом оптимальной является одноосная система (по азимуту) [24].
2. Исследование состояния заряда АКБ и режимов работы контролера заряда-разряда в автономной СФЭУ
Современные контроллеры позволяют производить заряд АКБ в несколько стадий [1, 5]. Приведем блок-схему определения состояния заряда АКБ (рисунок 3.15) [47, 49, 70, 143].
Проведены экспериментальные исследования режимов заряда-разряда АКБ с помощью контроллера с алгоритмом широтно-импульсной модуляции (рисунок 3.16). Дадим пояснение по режимам работы контроллера заряда.
1. В период активного заряда весь ток от СБ идет на заряд АКБ.
2. При достижении на АКБ определенного уровня напряжения наступает фаза поглощения (абсорбции): КЗР постепенно снижает ток заряда АКБ, чтобы не допустить перегрева и процесса активного газообразования.
3. Выравнивается напряжение и наступает фаза поддерживающего заряда малым током (равновесие).
Особенностью АКБ с гелевым электролитом в том, что при отрицательных температурах резко возрастает внутреннее сопротивление, что затрудняет их заряд.
Согласно стандарту [37] на свинцово-кислотные стационарные батареи, аккумулятор не рекомендуется далее эксплуатировать, если его емкость уменьшилась на 20%, т. е. стала 80% от исходного значения. В соответствии с данными рекомендациями, при проведении эксперимента глубина разряда АКБ была ограничена на уровне 30% путем настройки и конфигурирования параметров используемого контроллера заряда.
Определение эффективности инвестиций от внедрения фотоэлектрической установки
Выполним расчет показателей эффективности инвестиций.
По величине солнечной активности на территории Краснодарского края, СФЭУ в течение 290 дней в году работает по 7 часов с максимальной выработкой. На основании этого приближенно рассчитаем годовую величину электроэнергии, вырабатываемой станцией мощностью 2,5 кВт. где: Ртах- максимальная мощность СФЭУ, кВт; t- время эффективной работы в течение светового дня, ч; п- число дней.
Срок окупаемости капиталовложений: К + Иэ tо = (4.9)
Прирост прибыли за счет сокращения эксплуатационных затрат: АЧП =И1-И2 (4.10) где Иі, И2 - соответственного издержки по сравниваемым вариантам.
Расчет показателей экономической эффективности инвестиций производится по показателям NPV и IRR.
Чистый дисконтированный доход (NPV): «РГ=І(Г у (4.11) где CFt - доход, получаемый в год t; г = 0,1 ставка дисконта. Расчеты выполняем в ценах по состоянию на август 2017 г. Ставка дисконтирования Е = 10%; расчетный период Т = 10 лет.
Результаты проведенного технико-экономического расчета сведены в таблицу 4.2.
Для оценки динамики движения (оттока и притока) денежных средств производится планирование по методике Cash Flow (рисунок 4.2). С помощью программы PVSOL 7.0 промоделируем автономную СФЭУ номинальной мощностью 3 кВт. Коэффициент запаса PR принимаем 80%.
На рисунке 4.3 показаны расчетные значения по капитальным и эксплуатационным затратам на автономную СФЭУ номинальной мощностью 2,5 кВт в течение 20 лет.