Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности создания бытовой солнечной электростанции
1.1. Географическое положение и климатические условия Мьянмы
1.2. Проблемы электроэнергетики Мьянмы 12
1.3. Мировая солнечная энергетика 15
1.4. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мьянмы 18
1.4.1. Ресурсы солнечной энергии в Мьянме 21
22 22
1.5 Анализ последних известных схем автономной фотоэлектрической установки (ФЭУ)
1.5.1 Инверторы для традиционных автономных солнечных фотоэлектрических систем 1.5.2.Снижение потерь в солнечных фотоэлектрических системах 23 24
1.5.2.1. Трансформаторная схема, сочетающая инверторную и конверторную части ФЭУ
1.5.2.2 Одноступенчатая система повышения напряжения и инвертирования
1.6 Задачи работы 27
Выводы по первой главе 28
Глава 2. Синтез структуры фотоэлектрической установки 29
2.1. График потребления электроэнергии в жилом доме 29
2.2. Выбор типа аккумуляторной батареи и его система обслуживания 31
2.3. Оптимальный угол наклона солнечной батареи для Мьянмы 38
2.4 Выбор конструкции и напряжения автономной фотоэлектрической установки
2.5 Анализ традиционной структуры автономной фотоэлектрической
2.5.1. Синтезированная структура автономной фотоэлектрической
Выводы по второй главе
Глава 3. Расчёт площади солнечной батареи и ёмкости аккумуляторной
3.1. Выбор типа солнечной батареи 42 51
3.2. Влияние температуры окружающей среды на характеристики солнечной батареи
3.3. Моделирование солнечной батареи в программе Simulink и в разделе
3.4. Баланс энергии фотоэлектрической установки
3.4.1 Расчёт площади солнечной батареи 58
3.4.2 Проектирование солнечного модуля из рыночных элементов
3.5 Расчёт рабочей циклограммы ёмкости аккумуляторной батареи
3.5.1 Расчёт номинальной ёмкости аккумуляторной батареи по её
3.5.2 Расчёт номинальной ёмкости аккумуляторной батареи по 63 63
Глава 4. Инвертор напряжения и характеристики фотоэлектрической
4.1. Решаемые вопросы при создании фотоэлектрической установки
4.2. Исследование разных вариантов схем инверторов
4.3 Расчёт трансформатора инвертора с нелинейной симметричной характеристикой намагничивания
4.4. Расчёт индуктивности рассеяния трансформатора с размещением обмоток на разных сердечниках
4.4.1 Обеспечение гармонического состава выходного
4.5. Моделирование инвертора с силовым трансформатором с учётом
4.5.1. Моделирование ФЭУ с трансформатором, у которого обмотки размещены на разных сердечниках
4.5.2 Моделирование ФЭУ с учетом гистерезиса сердечника 4.6. Расчёт силовых элементов регулятора зарядного режима АБ 97 4.7. Исследование инвертора при разных нагрузках 99
4.8 Автоматическая стабилизация выходного напряжения инвертора. 101
4.8.1. Исследование стабильности выходного напряжения в однофазном инверторе по класическому алгоритмаму
4.8.2. Релейный регулятор напряжения 108
4.8.3. Регулятор с широтно-импульсной модуляцией 0
4.8.4 Биспособ регулирования (БР) напряжения инвертора 112
4.8.4.1. Исследование работы БР 116
4.8.4.2 Исследование влияния на работу однофазного инвертора дополнительного включения несимитричной импульсной нагрузки
4.9 Экспериментальное исследование характеристик солнечных батарей. 122
4.9.1. Снятие реальных вольт-амперных характеристик СБ 125
4.10. Расчёт надёжности и стоимости электроэнергии автономной
4.10.1. Вероятность безотказной работы аккумуляторной батареи 130
4.10.2. Рекомендации при применении устройств защитного
отключения
Выводы
- Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мьянмы
- Оптимальный угол наклона солнечной батареи для Мьянмы
- Моделирование солнечной батареи в программе Simulink и в разделе
- Расчёт трансформатора инвертора с нелинейной симметричной характеристикой намагничивания
Введение к работе
Актуальность темы. Задача обнаружения и измерения параметров случайных сигналов на фоне помех имеет широкие приложения в радиотехнике, активной и пассивной радиолокации, гидролокации, радионавигации, радиоастрономии, технической диагностике и др. К настоящему времени проблему статистического анализа случайных сигналов с априори известными статистическими характеристиками можно уже назвать классической. Она в той или иной степени затрагивается в работах Ван Триса Г., Кайлатца Т., Пикандса Дж., Левина Б.Р., Малахова А.Н., Сосулина Ю.Г. и др. Однако до сих пор остается открытой проблема синтеза, анализа и аппаратурной реализации оптимальных (квазиоптимальных) приемных устройств случайных сигналов с неизвестными параметрами, когда изменением неизвестных параметров в течение времени наблюдения можно пренебречь. Одной из самых распространенных моделей стационарных случайных сигналов является высокочастотный гауссовский процесс, наблюдаемый на фоне белого шума. У такого случайного сигнала могут быть неизвестны дисперсия, ширина полосы частот и центральная частота спектральной плотности (СП). Широкий круг задач по обработке стационарных гауссовских случайных процессов в условиях параметрической априорной неопределенности рассмотрен в работах Миддлтона Д., Хелстрома К., Богдановича В.А., Куликова Е.И., Сосулина Ю.Г., Тихонова В.И., Трифонова А.П. и др.
Число неизвестных параметров обрабатываемого случайного сигнала возрастает для нестационарных гауссовских сигналов. Так, достаточно часто возникает необходимость в обнаружении и измерении случайного импульса, представляющего собой достаточно длинный отрезок стационарного случайного процесса. Здесь к неизвестным параметрам СП добавляются время прихода и длительность случайного импульса. Наиболее конструктивные результаты по статистическому анализу гауссовских импульсных сигналов получены научной школой проф. Трифонова А.П. (Трифонов А.П., Парфенов В.И., Захаров А.В., Чернояров О.В. и др.). При этом в большинстве рассмотренных задач полагалось, что огибающая импульса имеет прямоугольную либо близкую к прямоугольной форму.
Дальнейшим обобщением указанной модели гауссовского импульсного сигнала является случайный импульс с огибающей произвольной формы. Примерами таких сигналов могут служить излучаемый или отраженный радиолокационный сигнал, информационный сигнал в системах связи с шумовой несущей или при использовании каналов связи со случайными характеристиками, оптический шумовой импульс и др. Работы, посвященные разработке методов и алгоритмов оптимальной и субоптимальной обработки таких сигналов с неизвестным временем прихода относительно немногочисленны и во многом носят постановочный характер. Помимо указанной проблемы синтеза существенные трудности возникают при теоретическом анализе обнаружителей и измерителей случайных импульсов. Это связано с тем, что для нестационарных случайных сигналов со скачкообразно-плавным изменением характеристик решающие статистики оказываются недифференцируемыми по некоторым неизвестным (разрывным) параметрам ни в каком вероятностном смысле. В результате оценить даже потенциальную точность алгоритмов обработки (границу Крамера-Рао) не представляется возможным.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью развить новые подходы к решению задачи статистического анализа случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы. При этом представляет интерес не только найти структуру оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов обнаружения и
измерения таких сигналов, превосходящих в том или ином смысле известные аналоги, но и получить аналитические выражения для определения качества их функционирования в каждой конкретной ситуации.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – предложить технически более простые по сравнению с существующими способы приема высокочастотных разрывных случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы и неизвестными частотно-временными и энергетическими параметрами, и разработать методики аналитического расчета характеристик синтезированных на их основе обнаружителей и измерителей.
Для реализации этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:
-
Синтезировать новые оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обнаружения и измерения случайных импульсов с неизвестными частотно-временными и энергетическими параметрами, допускающих практическую реализацию в виде одноканальных устройств, в отличие от имеющихся многоканальных аналогов.
-
Выполнить теоретический анализ эффективности функционирования синтезированных алгоритмов обнаружения случайных импульсных сигналов и оценки их частотно-временных и энергетических параметров. Развить методы расчета характеристик алгоритмов обнаружения и оценки при произвольной форме огибающей импульса.
-
Разработать методики статистического моделирования алгоритмов обработки случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы.
-
Экспериментально (методами статистического моделирования) установить работоспособность предложенных алгоритмов обработки случайных импульсных сигналов и определить границы применимости найденных приближенных или асимптотических формул для характеристик качества их функционирования.
Методы проведения исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и вычислительные методы статистической радиотехники, а именно, аппарат теории вероятностей и математической статистики, методы теории статистических решений, аппарат теории марковских случайных процессов (в том числе, метод локально-марковской аппроксимации), аналитические методы математического анализа, современные численные методы и методы программирования, методы моделирования на ЭВМ радиотехнических стохастических процессов и алгоритмов их анализа.
Научная новизна. В работе впервые получены или впервые подробно развиты следующие результаты.
-
Усовершенствованные методики синтеза алгоритмов обнаружения и измерения высокочастотных случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы в условиях параметрической априорной неопределенности, основанные на пренебрежении величинами порядка и менее времени корреляции субструктуры импульса и адаптивном поиске квазиоптимальных решений, близких в том или ином смысле к оптимальным. Использование данных методик позволяет получить одноканальные алгоритмам обработки, технически существенно более простые по сравнению с известными многоканальными вариантами.
-
Обобщение методов статистического анализа алгоритмов обнаружения и измерения разрывных случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы и неизвестными частотно-временными и энергетическими параметрами, позволяющих теоретически определять их точностные характеристики.
3. Полученные с помощью развитых подходов новые алгоритмы обработки высо
кочастотных случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы, а
именно:
максимально-правдоподобные и квазиправдоподобные алгоритмы обнаружения и оценки времени прихода гауссовского импульса с априори известной и неточно известной длительностью,
квазиоптимальные алгоритмы обнаружения и оценки времени прихода и дисперсии гауссовского импульса с априори известной и неточно известной длительностью,
квазиправдоподобные алгоритмы обнаружения и оценки времени прихода гаус-совского импульса с неточно известной центральной частотой,
квазиоптимальные алгоритмы обнаружения и оценки времени прихода и дисперсии гауссовского импульса с неточно известной и неизвестной центральной частотой, а также характеристики эффективности этих алгоритмов.
4. Методы статистического моделирования на ЭВМ и практической реализации на
цифровых сигнальных процессорах (ЦСП) алгоритмов обработки случайных импульс
ных сигналов, позволяющие существенно экономить машинное время, а также повысить
быстродействие проектируемых информационных систем.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что они позволяют внедрять в практические разработки радиотехнических систем технически существенно более простые по сравнению с имеющимися аналогами алгоритмы статистического анализа случайных импульсных сигналов. Найденные в работе теоретические зависимости для характеристик эффективности предлагаемых алгоритмов позволяют сделать обоснованный выбор между этими и другими алгоритмами в зависимости от имеющейся априорной информации и в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству алгоритма обработки и к степени простоты его технической реализации. Результаты работы могут быть использованы при исследовании и анализе
физических и статистических свойств природных и искусственных объектов по их спонтанным и вынужденным импульсным откликам,
обработке радио-, гидролокационных и оптических сигналов,
систем связи с импульсными поднесущими, работающими в сложной помеховой обстановке, характеризуемой наличием как аддитивных, так и мультипликативных искажений,
перспективных локационных и связных систем, использующих в качестве информационных сигналов импульсы с шумовой несущей,
сигналов в технической и медицинской диагностике,
аппаратурного анализа случайных процессов,
радиотехнических систем различного назначения, реализуемых на основе цифровых методов обработки.
Практическое применение результаты диссертации нашли при разработке многопозиционной системы связи с шумовой несущей, а также системы мониторинга многочастотных связных сигналов на базе ЦСП семейства TMS320.
Внедрение научных результатов. Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 13-08-00735, 13-08-97538), Российского научного фонда (проект № 14-49-00079) и Министерства образования и науки РФ (Соглашения № 14.B37.21.2015, 14.B37.21.2032, 14.B37.21.2102, ГБ НИР № 1729), а также внедрены в ОАО "Концерн "Созвездие" (г. Воронеж), ОАО "Российские космические системы" (г. Москва) и ЗАО "Специальные системы" (г. Москва), что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на
-
IV Всероссийской научно-технической конференции "Радиолокация и связь", г. Москва, 2010 г.
-
XVII, XX, XXI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва, 2011 г., 2014 г., 2015 г.
-
Московской молодёжной научно-практической конференции "Инновации в авиации и космонавтике – 2012", г. Москва, 2012 г.
4. Международной научно-технической конференции "Наука и образование –
2012", г. Мурманск, 2012 г.
-
67-й Научной сессии, посвященной дню радио, г. Москва, 2012 г.
-
XV Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, г. С.Петербург, 2012 г.
-
Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC), г. Москва, 2012 г., 2013 г.
-
10-й Международной конференции "ELEKTRO2014", г. Раецке Теплице, Словакия, 2014 г.
-
Международных научно-технических семинарах с элементами научной школы для молодых ученых "Методы и алгоритмы обработки квазидетерминированных и стохастических сигналов и изображений в условиях различной априорной неопределенности" (2014 г.), "Разрывные модели сигналов и изображений и оценка их параметров" (2015 г.), г. Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликованы работы [1-17]. Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
усовершенствованные и оригинальные методы синтеза алгоритмов обработки случайных импульсных сигналов с неизвестными параметрами и огибающей произвольной формы, допускающих практическую реализацию в виде одноканальных устройств, в отличие от получаемых с помощью известных подходов многоканальных аналогов;
усовершенствованные методы статистического анализа алгоритмов обнаружения и измерения случайных импульсных сигналов с неизвестными разрывным и непрерывным параметрами и огибающей произвольной формы, позволяющие аналитически (в отличие от известных результатов) находить количественные характеристик качества их функционирования, в том числе с учетом аномальных решений;
обобщенные методы статистического анализа алгоритмов обработки случайных импульсных сигналов с несколькими неизвестными разрывными параметрами и огибающей произвольной формы, позволяющие теоретически оценить их работоспособность и эффективность в условиях высокой апостериорной точности;
представленные новые оптимальные и квазиоптимальные обнаружители и измерители случайных импульсных сигналов с неизвестными частотно-временными параметрами и огибающей произвольной формы, технически более простые по сравнению с существующими прототипами;
найденные асимптотические выражения для характеристик эффективности синтезированных обнаружителей и измерителей случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы, позволяющие сделать обоснованный выбор между предложенными, а также другими приемными устройствами в зависимости от требований, предъявляемых к качеству функционирования алгоритма обработки и степени простоты его аппаратурной реализации;
- методики статистического моделирования синтезированных алгоритмов обработки случайных импульсных сигналов с огибающей произвольной формы, позволяющие минимизировать временные и вычислительные затраты при их программной и аппаратной реализации, и полученные на их основе результаты подтверждающие корректность и достоверность сформулированных в работе теоретических выводов и рекомендаций.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 3 разделов, заключения, 2 приложений, списка литературы, состоящего из 165 наименований. Объем диссертации составляет 222 страницы, включая 191 страницу основного текста, 15 страниц приложений, 16 страниц списка литературы.
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мьянмы
Централизованным электроснабжением обеспечено, главным образом, население городов, где сосредоточено основное промышленное производство, потребляющее основную часть выработки электроэнергии страны. Удельное потребление электроэнергии в городах в несколько раз превышает потребление энергии в селах. Однако и население городов не обеспечено 24-х часовым электроснабжением. В сухой сезон, который продолжается с ноября до апреля, в городах, где есть связь с объединенной энергосистемой, электроснабжение происходит не круглосуточно (7 - 8 часов в сутки) из-за того, что гидроэлектростанции работают не на полную мощность. В Мьянме более 70% населения занимается сельскохозяйственным производством. Население деревень, как правило, не имеет никакой связи с объединенной энергосистемой и обеспечивается электроэнергией от дорогих, но широко доступных бензиновых и дизельных генераторов. Стоимость электричества в деревнях Мьянмы настолько высока по сравнению с доходами, что не все домашние хозяйства могут использовать электричество даже в целях освещения помещений и подключения телевизоров.
Для одного светильника мощностью не более 20 Вт стоимость потребляемой электроэнергии в среднем в деревнях составляет около 1,8 доллара в месяц. Для телевизора мощностью не более 100 Вт средний тариф в деревнях составляет приблизительно 6 долларов в месяц (время их работы 120-150 час/мес). В случае наличия в доме трёх светильников и телевизора тариф на электричество будет равен 11,4 доллара в месяц. Ежегодно владельцы 1 дома в деревне вынуждены платить 136 долларов за потреблённую электроэнергию [7]. В деревнях стоимость 1 кВт. ч в среднем составляет около 0.5 доллара. Это очень дорого для жителей деревень. По последним данным министерства энергетики Мьянмы на февраль 2015 года электроснабжение населения страны составило 34,6 %[25]. Для нормального уровня энергообеспечения страны выработка электроэнергии должна увеличиться не менее, чем в 2 раза. В последние годы темпы роста выработанной электроэнергии составляют 15%, а потребление электроэнергии в стране увеличивается на 12% -15% каждый год [24]. В таблице 1.2 представлены значения выработанной электроэнергии с 2008 по 2012 год в Мьянме. При таких темпах роста потребления дефицит выработки электроэнергии в Мьянме будет сохраняться до следующего десятилетия. Выработанная электроэнергия в Мьянме с 2008 по 2012 год Табл. 1. Годы 2008/09 2009/10 2010/11 2011/2012 Ежегодный рост (%) Выработкаэлектроэнергии(миллионы кВт. ч) 6622 6964 7543 10000 14,7
В настоящее время правительство старается сократить дефицит выработки электроэнергии в стране. Для этого строятся новые газогенераторные и гидроэлектростанции. Однако эти меры пригодны для улучшения электроснабжения только в городах, где есть связь с объединенной энергосистемой. Благодаря тому, что в Мьянме имеется высокий потенциал ресурсов солнечной энергии, использование солнечной энергии остаётся в настоящее время одним из лучших решений для удаленных районов, где не удается подключиться к объединенной энергосистеме.
В Мьянме сегодня можно купить солнечную фотоэлектрическую установку, в которую входят солнечный модуль, аккумуляторная батарея и инвертор. В такой ФЭУ один пиковый Ватт мощности обходится всего в1тЗ доллара в зависимости от качества и производителя СБ. В Мьянме большинство потребителей используют СБ, произведенные в Китае. В деревнях срок окупаемости ФЭУ небольшой, он составляет сегодня 2-3 года, если учесть современную стоимость электроэнергии, получаемой от дизельных генераторов. В результате этого в деревнях Мьянмы, особенно в центральных регионах, автономные потребители, даже имеющие связь с сетью, начали активно использовать солнечную энергию. В настоящее время некоторые международные организации и общественные объединения оказывают помощь в использовании солнечной энергии в некоторых деревнях страны. Мьянма находится вблизи экватора, и данные экспериментальных измерений прихода солнечной радиации в стране показывают, что среднегодовой приход составляет приблизительно 5 кВт. ч/м2 в сутки [22]. Это намного выше, чем, например, в странах Евросоюза, где сегодня интенсивно используется солнечная энергия.
В Мьянме весьма перспективно развивать солнечную энергетику. С помощью автономных малых ФЭУ можно обеспечить электроэнергией сельскохозяйственных потребителей (отдельные дома или поселки в целом), учитывая очень высокие тарифы на электроэнергию, полученную от бензиновых или дизельных генераторов. В более далекой перспективе возможно и создание большой солнечной электростанции в Мьянме, учитывая высокую интенсивность прихода солнечной радиации в стране. Недавно правительство Мьянмы и Тайская компания GEP подписали договор о строительстве солнечной фотоэлектрической станции, мощностью 210 МВт, в центре Мьянмы. Цель постройки этой станции обеспечивать электроэнергией промышленные зоны, находящиеся в центре страны.
В перспективе солнечная энергия сможет играть большую роль в топливно энергетическом комплексе Мьянмы.
Преобразование солнечного излучения в электроэнергию может осуществляться двумя основными способами: фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем, при необходимости, в электрическую) и фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) [54]. По прогнозам европейской ассоциации фотоэлектрической промышленности (ЕРІА) солнечная энергетика в будущем вытеснит нефть и атомную энергетику. Сегодня в Европе интенсивно используют солнечные фотоэлектрические установки. За 2012 год суммарная мощность действующих во всем мире гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив рубеж в 100 ГВт. Сегодня они производят столько же электричества, сколько 16 крупных угольных или атомных электростанций. Установленная мощность солнечной энергетики в 2012 году показана на рис. 1.3. Суммарная мощность действующих в странах ЕС солнечных батарей достигла 70 ГВт (см. рис. 1.3). В Италии они обеспечивают уже примерно 7 % потребляемой электроэнергии, в Германии - 6, в Греции - 4, а в Болгарии, Чехии, Бельгии и Испании - по 3 процента. За 2012 год в Евросоюзе были установлены новые фотоэлектрические преобразователи мощностью в 17 ГВт. Более половины этого прироста - 8 ГВт - обеспечила Германия. Для сравнения: суммарная мощность европейской ветровой энергетики за тот же период увеличилась на 12 ГВт, а газовых электростанций - на 5 ГВт. Одновременно из эксплуатации окончательно выводились электростанции, работающие на нефти (3 ГВт) и АЭС (1 ГВт) [8]. Это говорит о том, что в последние годы в странах ЕС интенсивно используется солнечная энергетика, причём из-за географического положения интенсивность солнечной радиации намного меньше по сравнению с Мьянмой, где имеется высокий потенциал ресурсов солнечной энергии.
Оптимальный угол наклона солнечной батареи для Мьянмы
Ради этих 2% потерь применять повышение напряжения нет большой нужды. В исследованных схемах (рис. 4.2 ч-4.7) не использован этот преобразователь, потому что в результате расчета потерь при отсутствии преобразователя и при его наличии, оказалось, что при КПД = 0,8 преобразователь не даёт выгоды. Доказана возможность создания ФЭУ без преобразователя напряжения между СБ и АБ, что актуально для тропических широт.
Преобразователь на L2, VT3, VD6 (рис.2.6), повышающий напряжение, имеет КПД = 0,8. Его включение позволяет использовать энергию для заряда АБ с 6 до 7 утра и с 17 до 18 вечера (рис. 2.7). Но потери в повышающем преобразователе L2, VT3, VD6 соизмеримы с добавочной энергией, определяемой площадью треугольников а и б (рис.2.7), поэтому используем параллельное соединение СБ и АБ через диод VD6, отказавшись от L2 и VT3.
ФЭУ для коттеджа с учетом проведенного анализа элементов содержит первичный источник - солнечную батарею (СБ) (рис. 2.8), размещенную на крыше и постоянно ориентированную на юг с выбранным углом наклона Р = 40, аккумулятор и аппаратуру регулирования и инвертирования постоянного напряжения в переменное - инвертор. Задача исследования состояла в определении оптимального напряжения АБ и СБ, типа преобразователя напряжения при фиксированных параметрах нагрузки. Следует проанализировать ФЭУ с напряжением АБ и СБ между 14 В и 220 В с инвертором в переменное напряжение 220 1. Выбрана структура ФЭУ с наиболее простой схемой защиты и управления АБ без повышающего напряжение преобразователя между СБ и АБ. Несмотря на оптимальный угол наклона СБ на приход солнечной радиации р=23, которая дает годовой приход солнечной энергии 1977 кВт.ч/m2 в год, СБ установлена на крыше с углом наклона р = 40, что обеспечивает 1906 кВт.ч/m2 в год и обеспечивает защиту от ливней. При установке СБ на крыше использование солнечной энергии возможно в удаленных районах Мьянмы. 2. Доказана возможность создания ФЭУ без преобразователя напряжения между СБ и АБ, что актуально для тропических широт. 3. На основе статистического анализа выбрана гелевая АБ из 7 типов АБ по критерию: отсутствие обслуживания, максимальная энергетическая плотность до 180 Вт/кг. Выбран способ защиты АБ от перенапряжения закорачиванием СБ. ГЛАВА З
На основе известных публикации [54] введены расширенные матричные (табличные) характеристики СБ, позволяющие обоснованно, на основе статистического анализа, выбрать типы СБ. В первую группу фотоэлектрических преобразователей входят кристаллические СБ, во вторую - тонкоплёночные СБ. Производство структур на основе монокристаллического кремния - процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния a-Si:H, арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.
Тонкопленочные солнечные элементы (СЭ) могут состоять из нескольких тонких слоев фотоэлектрических материалов. Диапазон толщины таких слоев от нескольких нанометров до десятков микрометров. Тонкопленочные солнечные элементы бывают разных видов: их производят на основе 1. кремния (TF-Si) 2. теллурида кадмия (CdTe) 3. соединения меди с индием и селенидом галлия (CuInGaS) 4. диоксида титана (ТІ02). На рис. 3.1, в табл.3.1 и на рис 3.2 впервые приведены ВАХ различных солнечных элементов в одном масштабе.
Теоретический предел для удельного тока короткого замыкания солнечного элемента Из данных табл. 3.1 следует, что наибольший КПД имеют два типа СБ: C-Si и AsGa. AsGa более дорогой чем C-Si, изготавливается по специальному заказу, поэтому для ФЭУ выбрана кристаллическая C-Si СБ. Коэффициент заполнения отношение максимальной мощности к произведению тока короткого замыкания на напряжение холостого хода солнечного элемента (СЭ). Это является ключевым параметром в оценке эффективности работы солнечных батарей. Типичные коммерческие солнечные панели имеют коэффициент заполнения 0,70, в то время как солнечные панели дешевого класса В имеют коэффициент заполнения в диапазоне от 0,4 до 0,7. Солнечная панель с высоким коэффициентом заполнения имеет меньше потерь из-за последовательных и параллельных сопротивлений. На рис. 3.3 показана зависимость выходного тока и мощности СЭ от напряжения.
На рис. 3.3 построена характеристика мощности СЭ P=IC3Uc3, генерируемой при изменении выходного напряжения от Uхх до нуля. Из этой характеристики видно, что имеется всего одна точка С, в которой будет максимальная генерируемая мощность с наибольшим значением Pтах (точка С). Эта точка называется оптимальной рабочей точкой ВАХ СЭ, а напряжение и ток в этой точке -соответственно оптимальным напряжением Uопт и оптимальным током I0ПТ. При проектировании автономной ФЭУ стараются обеспечить работу СБ именно в этой точке. (_ ш и ш_ «щ НЛ) 3.1)
Вольт-амперная характеристика и мощность СЭ Для выбранной C-Si СБ С= 0,8 -f 0,84, что учитывается в дальнейшем. КПД определяется как отношение мощности, вырабатываемой СЭ, к мощности падающего солнечного излучения. КПД СЭ зависит от спектра, интенсивности падающего солнечного излучения и температуры СЭ. Для сравнения двух СЭ нужно их испытать при принятых стандартных условиях. Наземные СЭ испытываются при воздушной массе AMI.5 и температуре 25С, т.е. в средних широтах при высоте Солнца 41 49 . СЭ, предназначенные для использования в космосе, измеряются при воздушной массе АМО, т.е. в околоземном космическом пространстве. Обычно энергетические характеристики СБ определяются при номинальном условии освещения ( Рс =1000 2 ). Эффективность панели, как правило, на l-i-3% ниже, чем эффективность солнечного элемента за счет отражения стекла, рамы, затенения, более высоких температур и т.д.
Моделирование солнечной батареи в программе Simulink и в разделе
В Мьянме в жилых домах энергопотребление практически постоянно в течение всего года. В рассматриваемом доме живёт фермерская семья, поэтому у них нет выходных дней. Родители работают в поле, а дети занимаются домашним хозяйством, в это время электропотребления практически нет. В вечернее и ночное время имеется максимум энергопотребления от АБ.
Следующей задачей является выбор типа АБ. В табл. 2.3 приведены расширенные матричные (табличные) характеристики аккумуляторов, позволяющие обоснованно, на основе статистического анализа, выбрать типы АБ согласно [17].
Применительно к табл. 2.4 следует отметить следующее: внутреннее сопротивление батареи зависит от внутреннего сопротивления каждого ее элемента, типа схемы защиты и количества элементов в батарее. Схема защиты литий-ионных и литий-полимерных батарей увеличивает их внутреннее сопротивление в среднем на 100 мОм (0,1 Ом); срок службы аккумуляторной батареи зависит от регулярности ее обслуживания и использования лечебных циклов: полный периодический разряд и заряд; срок службы зависит также и от степени разряда — при частичных разрядах он больше, чем при полных; наибольший ток разряда никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батарей допустим сразу же после заряда. Из-за саморазряда никель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в течение первых 24 часов после заряда, затем снижение емкости составляет около 10 % каждые 30 дней. Саморазряд увеличивается с ростом температуры; схема или цепь защиты, устанавливаемая внутри литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, потребляет около 3 % их энергии за месяц; типовое значение напряжения на элементе никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батарей составляет 1,25 В в режиме холостого хода, а под нагрузкой — 1,2 В;
Никель - кадмиевые аккумуляторные батареи имеют наименьшее время заряда, допускают наибольший ток нагрузки и обладают наименьшим соотношением цена/срок службы, но в то же время они наиболее критичны к точному соблюдению требований правильной эксплуатации. Характеристики аккумуляторов
Из известных типов АБ для ФЭУ чаще всего используются свинцово-кислотные и гелевые АБ. Выбираем гелевые аккумуляторы из-за уникальных характеристик: отсутствие регулятора зарядного тока, большое количество циклов заряда-разряда, допустимость длительного нахождения в разряженном состоянии, низкий саморазряд, возможность эксплуатация в любом положении в жилом помещении. Установлена возможность использования нового типа АБ (гелевый аккумулятор) для тропических ФЭУ.
Сейчас они широко используются в электротранспорте, в домашних мощных системах бесперебойного питания, в альтернативной энергетике. Бурный рост технологий полимерных АБ скорее всего вытеснит гелевые аккумуляторы из малых и средних ёмкостей. Но на больших ёмкостях (от ЮОАч) батареи из гелевых аккумуляторов скорее всего будут доминировать ещё очень долго. Гелевые аккумуляторные батареи требуют только защиты от перезаряда и должны иметь ограничитель напряжения при заряде, что обеспечивает их максимальный срок службы свыше 700 циклов заряд-разряд.
Для получения максимальной мощности СБ важно ориентировать плоскость СБ на Солнце. Чтобы поглощать максимальное количество солнечной энергии, плоскость солнечного коллектора должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам [42]. Однако Солнце освещает земную поверхность в зависимости от времени суток и года под различным углом. Используется неподвижная СБ, размещаемая на самой высокой точке на крыше дома. Для монтажа СБ необходимо знать оптимальную ориентацию в пространстве в соответствующем районе. Для города Мандалай с координатами 21 58 37" Ш 96 5 13" Д надо определить оптимальный, постоянный в течение всего года, угол наклона р между горизонтальной поверхностью и плоскостью СБ (рис.2.4). При угле наклона СБ Р=0 удельная энергия равна Эгод р=1861,7 кВт.ч /м2.год [10]. Для угла наклона СБ, равному углу наклона крыши дома фкР) р = ркр = 40 удельная энергия равна Эгод р= 1906,01 кВт.ч /м2.год. Оптимальный угол наклона крыши дома, обеспечивающий наилучшую защиту от дождей ркр = 40. При наклоне СБ равному широте местности Р = 20,88, удельная энергия равна Эгод р=1976 кВт.ч /м2.год (табл.2.4). Угол наклона Р=23 дает максимальную годовую солнечную энергию Эгод р=1978 кВт.ч /м2.год [10], но для такой установки ФЭУ требуется перестройка крыши, которая имеет обычно р = ркр =40. При установке ФЭУ с р = ркР = 40 приход солнечной радиации будет меньше с марта по сентябрь (по сравнению с Р=23) на 3%. С мая по июль из-за дождя снижается солнечная радиация на 19% [10].
Поскольку система с ориентацией СБ на Солнце громоздкая и требует сложного автоматизированного электропривода, следящего за Солнцем согласно [43], применяется неподвижная, расположенная на крыше панель СБ с выбранным углом наклона Р = 40, к которой параллельно подключается АБ. Так как потребителям требуется стандартное напряжение 220 В с частотой 50 Гц, между АБ и потребителем будет использоваться повышающий стабилизированный преобразователь напряжения с синусоидальной формой. В тёмное время суток питание преобразователя (инвертора) будет осуществляться от АБ, которая заряжается днём. Выбор напряжения панели СБ и АБ делается с учётом следующих соображений:
Расчёт трансформатора инвертора с нелинейной симметричной характеристикой намагничивания
АБ для зарядки подсоединяется к PV1, в цепь АБ необходимо включать контроллер VM1 (Gain, Relay) для предупреждения перезаряда АБ. Когда солнечная панель заряжает аккумулятор до желаемого максимального напряжения, схема предупреждения перезаряда параллельно солнечной панели подключает нагрузочный транзистор VT, чтобы поглощать избыточную мощность солнечной панели. АБ защищена от перезаряда релейным регулятором, содержащим: задатчик опорного напряжения Constant, устройство сравнения напряжения Battery с Constant - sum block, усилитель ошибки регулятора Gain, релейный блок Relay, который управляет VT. При достижении напряжения заряда на АБ 14 В, СБ закорачивается ключом VT.
Для согласования характеристик СБ и АБ напряжение СБ в точке максимальной мощности выбиралось равным максимальному зарядному напряжению АБ, 14 В. Шаг моделирования был выбран 2 1(Г5 s. В низковольтной схеме при иАБ=Ю 14 В используется силовой трансформатор (TV) для повышения напряжения до UH=220 В. Коэффициент трансформации трансформатора к„ = - = = 224-16. Исследовался инвертор с UAE 10-7-14 прямоугольной формой выходного напряжения и регулированием выходного напряжения на частоте 50 Гц по принципу ШИР - широтно-импульсное регулирование.
Синусоидальная форма напряжения на нагрузке обеспечивается параллельным резонансным LC контуром, подключенным к инвертору через трансформатор TV. Индуктивность Ln сглаживает потребляемый ток инвертора. Индуктивность LH активно-индуктивной нагрузки с coscp = 0,8 и параллельно включенный трансформатор TV с конденсатором С2 образуют параллельный резонансный контур. Нагрузка подключена к конденсатору С2 и имеет синусоидальную форму напряжения с Kr(UH) 10%. При выборе UAB=220B отсутствует силовой трансформатор TV, повышающий напряжение с 14 В до 220 В.
В [41,34- -38] приведены схемы однофазного инвертора и их методики расчёта использующиеся при создании ФЭУ. Формируются импульсы управления силовыми транзисторами таким образом, чтобы наиболее экономичным способом приблизить форму выходного напряжения и тока к синусоидальной форме. Чаше всего рекомендуется применять в системах с питанием от возобновляемых источников энергии инвертор [46].
Результаты сопоставительного анализа качества передачи гармонического сигнала в однотактных и двухтактных многозонных регуляторах с различными законами модуляции по критерию минимума коэффициента гармоник выходного сигнала приводится в [49].
На основе этой информации в разделе 4.2 исследовалось несколько вариантов схем инверторов: мостовая, полумостовая и схема со средней точкой. Выбор схемы проводился по критерию: надёжность, отсутствие перенапряжений на транзисторах, уровень пульсаций тока в системе и коэффициент нелинейных искажений Kr(UH)
Всего исследовалось 6 схем (рис. 4.2 -f 4.7) с высоковольтным и низковольтным входным напряжением инвертора, двумя способами включения сглаживающего дросселя: в шине постоянного тока и в шине переменного тока, две силовые схемы инвертора: со средней точкой силового трансформатора и мостовая схема с линейным (идеальным) трансформатором. Изучены структуры ФЭУ с различными уровнями напряжения СБ и АБ с рекомендуемым алгоритмом работы потребителей. Результаты моделирования приведены в табл. 4.1 -f 4.3. В шине постоянного тока для ограничения перенапряжения дроссель Li (рис. 4.2) шунтируется диодом.
Исследование показало, что в низковольтной схеме индуктивность L2 (рис. 4.3) в цепи переменного тока должна быть в 4 раза больше, чем в шине постоянного тока (табл. 4.1). Это объясняется тем, что высокое напряжение 220 В прикладывается к выходному дросселю переменного тока. В высоковольтной схеме индуктивность: Li (рис. 4.4) в 30 раз больше в шине постоянного тока, чем в шине переменного тока U (рис. 4.5, табл.4.2), что объясняется необходимостью включения дополнительного дросселя L22 параллельно нагрузке для улучшения формы кривой напряжения (рис. 4.4). При этом высоковольтная мостовая схема (рис. 4.4) при включении дросселя в шину постоянного тока не обеспечивает нужное значение напряжения нагрузки 220 В, а только 106 В при приемлемом Kr(UH) 10%. При включении дросселя L2 в шину переменного тока (рис 4.5 и 4.7) обеспечивается напряжение 220 В.
При высоковольтном и низковольтном входах индуктивность L2 минимальная и составляет 40 -60мГн. При её включении в шине переменного тока (рис 4.3, 4.5 и 4.7). Высоковольтная схема (рис 4.4 и 4.5) не имеет бросков инверсного тока в АБ, а низковольтные схемы (рис 4.2, 4.3, 4.6 и 4.7) имеют обратные броски тока, соизмеримые с прямым током (табл. 4.3). В низковольтных мостовых схемах (рис. 4.6) индуктивность Ьі=20мкГн в шине постоянного тока в 1000 раз меньше, чем индуктивность Ь2=30мГн в шине переменного тока (рис. 4.7, см. табл.4.3).
В низковольтных схемах (рис. 4.2, 4.3, 4.6 и 4.7) используются автомобильные аккумуляторы АБ 12-ГІ4В, а в высоковольтных схемах (рис 4.4 и 4.5) требуется последовательное соединение 18 аккумуляторов по 12 В каждый. Высоковольтная СБ (рис 4.4 и 4.5) требует тщательной изоляции выводов и электрических соединений на крыше для уменьшения токов утечки особенно в сезон дождей. В низковольтных схемах (рис 4.2, 4.3, 4.6 и 4.7) ток VT, TV и VD на порядок выше (в 10 раз), чем в высоковольтных схемах (рис 4.4, 4.5 и см.табл. 4.1). По всплескам коммутационных напряжений на транзисторах схемы (рис 4.2 и 4.3) равноценны: уровень напряжения 200 -220В.
Преимуществом мостовой низковольтной схемы с повышающим трансформатором (рис 4.6 и 4.7) является низкое максимальное напряжение на транзисторах VT1 VT4, равное 14 В при любом включении дросселя Lb Ь2(табл. 4.3). В высоковольтной схеме рекомендуется дроссель Ь2=60мГн (табл. 4.2) включать в шину переменного тока (рис. 4.5), а в низковольтной схеме (рис. 4.6) - в шину постоянного тока - U= 9,5 мГн (табл. 4.1).
Ёмкость конденсатора С2 рассчитанная из условия компенсации индуктивного тока нагрузки должна быть равна 80 -90 мкФ. Во всех 6 схемах ёмкость С2=170 200мкФ включена параллельно нагрузке и обеспечивает форму напряжения Kr(UH) 10%. В низковольтной схеме (рис. 4.2) для ограничения коммутационных перенапряжений на VT использованы 2 шунтовых конденсатора С1 и СЗ по 100 мкФ, два диода (VD3 и VD4) и два резистора (R1 и R2), включенных между коллекторами VT и + АБ. Параметры нагрузки - номинальное активное сопротивление RH= 19,36 Ом, индуктивность нагрузки LH=0,046 Гн, сопротивление нагрузки изменялось от номинального значения до холостого хода.