Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Узлы и устройства систем энергообеспечения автономных объектов: обзор технических решений и анализ проблем
1.1. Технические особенности систем энергопотребления и энергообеспечения автономных объектов
1.2. Выбор источников энергии для систем энергообеспечения автономных объектов
1.3. Панели фотоэлектрических преобразователей как источник энергии электростанций солнечных для автономных объектов
1.4. Аккумуляторные батареи для систем энергообеспечения автономных объектов 30
Выводы по главе 1 56
Глава 2. Схемотехнические особенности построения электронных устройств управления энергообеспечением автономных объектов при питании от солнечных источников электроэнергии 38
2.1. Структурные схемы электронных систем управления солнечных электростанций для маломощных автономных объектов 38
2.2. Элементная база электронных устройств системы управления
2.3. Схемотехника инверторов
2.4. Схемотехника контроллеров и зарядных устройств аккумуляторных батарей 47
2.5. Практические разработки электронных систем и устройств управления энергообеспечением автономных объектов от солнечных панелей
Выводы по главе 2 5Н
Глава 3. Вопросы помехозащищенности аппаратуры автономных объектов от импульсных помех при питании источников энергии 55
3.1. Общая характеристика импульсных помех 55
3.2. Анализ помех несимметричного вида 57
3.3. Устройства подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения
Выводы по главе 3
Глава 4. Технические особенности и элементы организационно-финансового механизма производства и реализации солнечных электростанций 71
4.1. Исходные предпосылки проекта организации разработки и производства ЭС малой и средней мощности 71
4.2. Технические характеристики ЭС, предлагаемых к разработке и выпуску 73
4.3. Производство и производственные риски 76
4.4. Оценка существующего положения в области производства ЭС в кооперации ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» и ОАО «Красное Знамя» 79
Выводы по главе 4
Заключение 81
Список литературы
Приложения
- Панели фотоэлектрических преобразователей как источник энергии электростанций солнечных для автономных объектов
- Схемотехника контроллеров и зарядных устройств аккумуляторных батарей
- Устройства подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения
- Технические характеристики ЭС, предлагаемых к разработке и выпуску
Введение к работе
Актуальность представляемой работы определяется тем, что в последнее время существенно расширился качественно и количественно важный класс потребителей электроэнергии - автономные объекты, удаленные от электрических сетей [1,2], причем доставка энергоносителей на эти объекты технически невозможна или практически нецелесообразна.
На земной поверхности примером таких объектов могут служить автономные радиофицированные комплексы («буи»), предназначенные для целей аэронавигации, экологического, метеорологического и т.п. мониторинга и расположенные (в буквальном смысле слова -«заброшенные») в труднодоступной местности - в тайге, на Севере, особенно на побережье и островах Северного Ледовитого океана. Иногда для автономных объектов может возникнуть парадоксальная ситуация: они могут оказаться вблизи трассы мощных линий электропередачи (ЛЭП), но это обстоятельство, не облегчая проблему с точки зрения снабжения электроэнергией, сильно усложняет ее с точки зрения необходимости подавления мощных электрических помех. Особую категорию автономных объектов составляют космические аппараты. К автономным (или, как минимум, к «полуавтономным») с энергетической точки зрения объектам могут быть отнесены пограничные заставы (особенно в горной местности), геологические партии и т.п. Если же смотреть на проблему шире,- то необходимо отметить, что 70% населения Земли полностью или частично лишены возможности пользоваться электроэнергией из-за отсутствия
электрических сетей; только в России около 50% территории не имеет таких сетей.
Наиболее приемлемым видом энергии для большинства автономных объектов является энергия Солнца, и в представляемой диссертации будут рассматриваться узлы и устройства автоматизированных систем автономного энергообеспечения, базирующихся именно на солнечной энергии. Солнечная энергетика на настоящий момент является почти единственной, запасы которой совершенно неисчерпаемы (количество энергии, получаемой Землей от Солнца за один час, равно общему количеству энергии, потребляемой людьми в год) и которая одновременно с этим практически не имеет экономических ограничений.
Вполне закономерно, что разработки в области солнечной энергетики и попытки ее практического использования, особенно в США и Западной Европе, ведутся чрезвычайно интенсивно и во всем диапазоне возможных применений - от микроэлектростанций на несколько десятков ватт для различных автономных пользователей до солнечных электростанций промышленного назначения (до десятков киловатт),включая также такие применения, как космические аппараты и гелиоавтомобили.
В большинстве промышленно развитых стран разработаны и осуществляются национальные программы по развитию солнечных энергетических систем: New Sunshine Program [3] в Японии, Korean National Photovoltaic Project [4]в Корее, несколько программ, включая National PhotovoltaicsProgram [5,6],в США. Общая мощность этих систем в 1999 г. составила более 150 МВт, и прогнозируется их ускоренное развитие [7].
Недостатком солнечной энергетики является сравнительно невысокая эффективность ее преобразования в электрическую, поскольку используются неэффективные, громоздкие и дорогие солнечные панели (СП). Хотя человечество не теряет надежды на изобретение в будущем других форм преобразования, пока к.п.д. солнечных панелей реально не превышает 13...15%. При этом необходимо отметить, что СП сами по себе, без использования дополнительных элементов и устройств, в большинстве случаев не могут обеспечить поставку электроэнергии потребителю. Для выполнения этой задачи необходимо наличие контроллера, аккумулятора энергии, выходного адаптера (выходных адаптеров) и других узлов и устройств, которые в совокупности с СП и составляют систему энергообеспечения (СЭО).
В последнее время СЭО, базирующиеся на солнечной энергии, принято называть электростанциями солнечными (ЭС), и в представляемой диссертации используется именно этот термин. Роль солнечных панелей в ЭС аналогична роли генератора, например, в гидроэлектростанции, а остальные узлы и устройства электростанции солнечной (контроллер, адаптеры и т.д.) составляют автоматизированную систему управления энергообеспечением (АСУ ЭО).
Тематику настоящей диссертации составляют исследования и разработки в области АСУ ЭО автономных объектов. В этой тематике наиболее актуальными являются два основных направления:
1) Максимальное повышение эффективности АСУ ЭО. Учитывая указанный выше крайне низкий 15-процентный к.п.д. солнечных панелей, каждый лишний процент, теряемый на узлах и устройствах системы управления, может существенно снизить технические
характеристики солнечной электростанции в целом. Опасность дополнительного снижения эффективности особенно велика применительно к ЭС малой мощности (до 100 Вт),
2) Обеспечение помехозащищенности и других важнейших
показателей надежности АСУ ЭО, равно как и всей электрической и
радиоэлектронной аппаратуры автономных объектов в целом. Это
наиболее актуально для такой аппаратуры автономных объектов, ремонт
и восстановление которой часто практически невозможны без ее
эвакуации с объекта. При этом «приемной антенной» для аварийно-
опасных помех, как правило, являются токопроводы АСУ ЭО.
Источниками аварийно-опасных помех могут являться грозовые
разряды, электромагнитное излучение северных сияний,
близкорасположенные мощные линии электропередачи,
радиопередающие и ретрансляционные станции, электрооборудование транспортных средств и т.д.
Целью представляемой диссертационной работы является совершенствование электронных автоматических систем управления солнечными электростанциями малой мощности, предназначенными для автономных (в том числе необслуживаемых) объектов. Это совершенствование направлено на повышение эффективности автоматизированных систем управления энергообеспечением, а также на повышение помехозащищенности электрической и радиоэлектронной аппаратуры объекта в целом.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решаются следующие задачи:
- исследование существующих и возможных электронных узлов, устройств и систем управления энергообеспечением на основе
солнечных панелей или батарей солнечных панелей;
- анализ структурных и электрических схем систем управления энергообеспечением автономных объектов, а также узлов и устройств, входящих в состав этих систем;
выбор элементов и разработка структурных и схемотехнических решений, обеспечивающих максимально достижимую эффективность АСУ ЭО автономных объектов;
вывод и анализ расчетных соотношений для выбора элементов и схемотехнических решений АСУ ЭО, позволяющих снизить до допустимых значений импульсные помехи, наводимые в токопроводах;
исследование полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН) и разработка устройств на их основе;
анализ экономических вопросов производства и применения солнечных электростанций.
Методы исследования. В основе исследований, выполненных в
диссертационной работе, лежат аналитические методы расчетов
электрических и магнитных цепей, включая операторный метод -
преобразование Лапласа, использование основ теории
полупроводниковых приборов, компьютерные расчеты. Достоверность
полученных аналитических зависимостей и результатов компьютерных
расчетов проверена экспериментальными исследованиями,
выполненными на макетных и опытных образцах устройств АСУ ЭО.
Научная новизна настоящей диссертационной работы
представлена:
- анализом и новыми техническими решениями структурных схем
систем энергообеспечения, использующихся в качестве источников
энергии солнечные панели;
- новыми техническими решениями электрических схем управления
системами энергообеспечения на основе СП;
- схемой замещения СЭО на основе СП с учетом LC фильтра,
ограничивающего несимметричные помехи;
выведенными математическими соотношениями основных параметров схемы замещения, анализом этих соотношений;
- схемотехническими решениями устройств подавления импульсных
сетевых помех, оригинальность которых защищена Свидетельствами РФ
на полезные модели.
Практическая ценность диссертационной работы заключается:
- в систематизации узлов, устройств и систем автоматизированного
управления энергообеспечением автономных объектов, базирующихся
на использовании солнечной энергии;
- в выборе компонентной базы и разработке структурных и
электрических решений, обеспечивающих максимальную
эффективность АСУ ЭО, базирующихся на СП;
в разработке рекомендаций по снижению импульсных помех в АСУ ЭО; .
в разработке устройств подавления импульсных помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН).
Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы получены в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), ОАО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов имени М.А.Карцева» (НИИВК) и ОАО «Вычислительная
*У
техника и промышленная электроника» (ВТ и ПЭ) в ходе выполнения
ОКР «Разработка устройств подавления сетевых помех и устройств
защиты от перенапряжений, КЗ и пропаданий напряжения» (шифр
«Защитник»), «Разработка, изготовление и поставка устройств
электропитания цифрового вычислительного комплекса для изделия Л-
01» (шифр «Л-01-ЦВК») и «Разработка поупроводникового
преобразователя постоянного напряжения» (Шифр «Свет-ППГШ») в
рамках «Комплексной программы по созданию электросолнечных
агрегатов электропитания, устройств и систем солнечной энергетики»,
утвержденной Госкомоборонпромом России 30.09.1994 г. и
Федеральной целевой программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности (1996-2000 г.г.)».
Разработаны и внедрены в серийное производство на заводе «Красное Знамя» (г. Рязань) электронные устройства, входящие в автоматизированную систему управления ЭС с выходной мощностью от единиц до десятков ватт, а также устройства широкого назначения для подавления сетевых помех. Разработана и апробирована компьютерная методика оценки и повышения помехозащищенности аппаратуры автономных объектов при питании от солнечных источников электроэнергии.
Практическая реализация результатов работы подтверждена прилагаемыми к диссертации актами внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. По результатам анализа структурных схем электронных систем управления энергообеспечением автономных объектов сформулированы рекомендации к применению базовых структур.
2. Схемотехника специального преобразователя постоянного
напряжения и мостового инвертора с выходным синусоидальным
напряжением 220В - 50Гц позволяет исключить громоздкий
низкочастотный выходной трансформатор.
Контроллеры и зарядные устройства наиболее перспективны при использовании специально разработанных схем; при этом исключается необходимость выравнивания напряжений на отдельных элементах аккумуляторных батарей.
Анализ несимметричных импульсных помех, воздействующих на аппаратуру автономного объекта, а также полученные аналитические выражения позволяют ограничивать помехи в пределах допустимых значений за счет выбора параметров режекторного дросселя и других компонентов схемы замещения.
5. Предложенные в работе устройства подавления импульсных
помех, построенные на базе полупроводниковых ограничителей
напряжения, рекомендуются к повсеместному применению в сетях
постоянного и переменного тока.
6. Анализ экономических аспектов конструирования и внедрения в
промышленность солнечных электростанций типа ЭС-2 для автономных
объектов позволяет сделать вывод об экономической целесообразности
разработки и производства электростанций рассматриваемого класса.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:
- на Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-98», Москва, февраль 1998 г.;
/3
- на Второй Международной конференции «Моделирование
интеллектуальных процессов проектирования и производства», г. Минск
(Беларусь), ноябрь 1998 г.;
- на Международной конференции стран СНГ «Молодые ученые -
науке, технологиям и профессиональному образованию для
устойчивого развития: проблемы и новые решения», Москва, ноябрь
1999 г.;
на научно-технической конференции «Энергосбережение на рубеже веков», Москва, декабрь 1999 г.;
на Второй Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-2000», Москва, март 2000 г.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 печатных работ. Результаты диссертации защищены двумя Свидетельствами РФ на полезную модель (получены положительные решения о выдаче Свидетельств).
/^
Панели фотоэлектрических преобразователей как источник энергии электростанций солнечных для автономных объектов
Под автономными с энергетической точки зрения объектами принято понимать объекты, электрическая и/или радиоэлектронная аппаратура которых не связаны с централизованными сетями энергообеспечения (с электрическими сетями) и доставка энергоносителей на которые не предусмотрена в течение всего срока их эксплуатации. Несколько менее употребителен термин «полуавтономные объекты», доставка энергоносителей на которые осуществляется крайне редко (например, раз в год).
Поскольку никакой современный объект без электроэнергии функционировать не может, энергетическая автономность возможна в двух случаях: 1) если необходимая энергия (энергоноситель в той или иной форме) запасена на объекте с момента включения его аппаратуры до конца ее эксплуатации; 2) если на объекте предусмотрены средства, вырабатывающие электроэнергию, т.е. электростанция. Первый случай касается относительно простых объектов. В качестве простейшего можно рассматривать туриста или геолога-одиночку, захвативших с собой карманный радиоприемник: припасенных гальванических элементов («батареек»), вероятно, хватит на весь поход.
Более сложным является второй случай, когда в состав оборудования объекта входит разнообразная аппаратура, как электрическая (осветительные и сигнально-звуковые приборы, бытовая аппаратура, водяные и воздушные насосы и т.д.), так и электронная (радиоприемные и радиопередающие устройства, компьютерная техника, электронные измерительные приборы и т.п.). В этом случае без электростанции того или иного вида как системы энергообеспечения [8] практически не обойтись, а большое разнообразие электропотребляющей аппаратуры подразумевает большие различия в ее функциональных особенностях, режимах эксплуатации (в частности, во времени суток или во времени вообще), показателях энергопотребления (требуемый вид тока, напряжение, мощность, качество электроэнергии), надежности и помехозащищенности. Именно такие автономные объекты подразумеваются и рассматриваются в настоящей работе - объекты, оснащенные достаточно большим разнообразием электорэнергопотребителей. Обеспечение электроэнергией таких объектов требует относительно сложной структуры системы энергообеспечения (электростанции). Кроме источников энергии (генераторов), в состав системы должны входить в том или ином, иногда совершенно неожиданном, виде: - контроллеры, управляющие режимами выработки энергии, ее потребления и в необходимых случаях - накопления (аккумуляции); к функциям контроллеров обычно относятся подключение и отключение источников и накопителей энергии, стабилизация электрического напряжения или тока и т.п.; выпрямители, инверторы и конверторы, обеспечивающие изменение формы электроэнергии (переменный или постоянный ток, его напряжение, частота и т.д.); в состав этих устройств могут входить трансформаторы и преобразователи; - аккумуляторы (накопители), служащие, в частности, для сглаживания неравномерности как в выработке энергии, так и в ее потреблении; эти неравномерности могут быть обусловлены временем суток, различием условий эксплуатации и другими факторами. В состав более сложных и ответственных систем энергообеспечения (электростанций) могут входить также: - устройства и узлы защиты от помех и других вредных внешних воздействий; - устройства подпитки системы энергией от других систем; чаще всего, речь при этом идет о подпитке маломощных автономных систем энергоснабжения от централизованных сетей, т.е. попросту о зарядных или подзарядных устройствах. Конечно, в таком случае можно поставить под сомнение автономность рассматриваемой системы энергоснабжения, но это - вопрос терминологии. Выше перечислены основные узлы и устройства, составляющие совместно с источником энергии систему энергоснабжения -электростанцию (ЭС). Их состав и особенности взаимодействия отличаются чрезвычайным разнообразием и во многом зависят как от имеющейся системы энергопотребления - нагрузки, так и от используемого источника энергии. Именно совокупность этих устройств, именуемая системой управления энергообеспечением (СУ ЭО) или автоматизированной системой управления энергообеспечением (АСУ ЭО), является предметной областью диссертации.
Потребление энергии в мире непрерывно возрастает. Несмотря на появление энергосберегающих технологий, убывает потенциал запаса ископаемых топлива на земле. При существующих темпах и тенденциях расходования эксплуатируемых, освоения и ведущейся разведки новых месторождений различные источники прогнозируют, что запасов нефти человечеству хватит на 35...50 лет, природного газа - на 50...70 лет, угля - на 150...200 лет, урана - на 60...80 лет [9,10]. Одновременно следует учитывать, что использование ископаемого топлива наносит практически невосполнимый ущерб окружающей нас среде, который пропорционально или даже ускоренно возрастает по мере роста энергопотребления. В связи с этим наиболее серьезные эксперты предполагают, что без принятия кардинальных мер через 25...30 лет человечеству угрожает экологическая катастрофа, на которую еще через 10...20 лет наложится энергетическая (вторая, правда, может несколько ослабить действие первой, но этот эффект будет явно запоздалым) [11]. Электростанции на ядерном топливе, даже без аварий типа Чернобыльской, - это отложенные заботы, связанные с хранением и утилизацией отходов.
Одним из путей решения описанной проблемы является максимально энергичное использование альтернативных - так называемых «возобновляемых» источников энергии: энергии Солнца, ветра, гидроэнергетики, биоэнергетики и т.д.
Схемотехника контроллеров и зарядных устройств аккумуляторных батарей
Переносная электростанция ЭС-1 для питания радиоаппаратуры, подразряда аккумуляторной батареи, питания холодильника, кондиционера, вентилятора и др. с выходным напряжением постоянного тока =12 В и переменного тока 220 В 50 Гц (прямоугольной формы). Максимальная мощность потребления 200 Вт. Комплектация станции аккумуляторными батареями не предусматривается, предполагается использование 12-вольтовой АБ легкового или грузового автомобиля (45...75 Ачас). Электронное оборудование размещается в металлических или пласмассовых корпусах. б) Переносная электростанция ЭС-2 для питания плейера, радиоприемника, телевизора, с выходным постоянным регулируемым напряжением от =3 до =9 В. Предусмотрены две модификации - с выходной мощностью 10 и 30 Вт - ЭС-2 и ЭС-2А соответственно. Аккумуляторные батареи встроены в корпуса аппаратуры, корпуса пластмассовые. в) Функциональный ряд стационарных электростанций ЭС-3 для питания различного оборудования без ограничений, налагаемых на характер нагрузки, с выходным синусоидальным напряжением 220 В 50 Гц. Выходная мощность одного модуля ЭС-3 с аккумуляторной батареей, контроллером и инвертором - 100 Вт, корпус модуля металлический, модули работают как отдельно, так и параллельно друг с другом и устанавливаются в каркас до 5 шт. образуя станцию на 500 Вт (ЭС-ЗА). Объединением 2-х, 3-х и т.д. станций ЭС-ЗА можно компоновать станции на мощность соответственно 1,0, 1,5 кВт,... (ЭС-ЗБ,ЭС-ЗВит.д.). Результаты исследований возможных структурных схем станций трех типов, позволили разработать и рекомендовать их к дальнейшему проектированию и освоению в производстве структурные схемы согласно рис. 2.1а, б, в. Здесь приняты буквенные обозначения: ПСЭ -панель солнечных элементов \ К - контроллер, И - инвертор, АБ -аккумуляторная батарея, ЗУ - зарядное устройство, ПРА - питание радиоаппаратуры, ВА - внешний адаптер, МП - модуль питания. Цифры при буквенных обозначениях показывают, к какой из электростанций относится те или иные устройства и узлы. Зарядное устройство ЗУ на рис. 2.1 показано пунктиром, поскольку используется не в штатном режиме. Основные электронные устройства управления энергообеспечением автономных объектов с малой и средней мощностью потребления обеспечивают преобразование и стабилизацию напряжения, получаемого с солнечных панелей, а также защиту устройств станции и потребителя электроэнергии от недопустимых режимов. Эти устройства содержат полупроводниковые Примечание: Поскольку материал главы 2 базируется на большом числе ранее проведенных исследований и разработок, где использовалось обозначение ПСЭ вместо принятого СП, в тексте этой главы, в порядке исключения, используется именно это обозначение. ключи (ПК), входящие в схемы силовой части, а также схемы управления (СУ). ПК - основной узел перечисленных устройств - строится на основе биполярных или полевых транзисторов. При нагрузке электронных устройств управления на потребителей электроэнергии с большими токами включения, например, на электродвигатели конкуренцию этим двум типам транзисторов составляют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Большой устойчивостью к импульсным токовым перегрузкам обладают также тиристоры. С точки зрения силовой части идеальным ключом является прибор, обладающий следующими характеристиками: возможностью пропускания большого тока в прямом направлении при нулевом падении напряжения на приборе; - возможностью выдерживать большое обратное напряжение в запертом состоянии прибора при максимальном его сопротивлении; - неограниченной предельной частотой переключений; - минимальной мощностью, требуемой для управления прибором. Области применения биполярных транзисторов охватывают широкую номенклатуру инверторов, конверторов, зарядных устройств и контроллеров. Использование транзисторов в контроллерах не требует их высокочастотности. В других устройствах транзисторы используются, как правило, в диапазоне частот от 20 до 100 кГц. Основное достоинство этих приборов - малое падение напряжения коллектор-эмиттер в открытом состоянии [27]. К основным достоинствам полевых транзисторов следует отнести: 1) Возможность управления прибором от источника напряжения. 2) Малые мощности узлов управления. 3) Простота узлов управления. 4) Минимальные временные задержки при включении и выключении. 5) Широкие области безопасной работы в запертом и открытом состояниях. 6) Возможность параллельного включения приборов. Технология производства биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT - транзисторы) позволила получить сочетание малых потерь в открытом состоянии с малыми временами переключения [28]. Особенности применения ПК совместно с другими силовыми элементами (трансформаторами, дросселями, диодами, конденсаторами и др.) рассматриваются в следующем разделе.
В качестве СУ для систем управления энергообеспечением автономных объектов с малой и средней мощностью потребеления в настоящее время используются, как правило, специализированные микросхемы. Микросхемы для СУ подразделяются на однотактные и -двухтактные. Основные принципы стабилизации в зарубежных и отечественных микросхемах - широтно-импульсная модуляция и частотно-импульсная модуляция. В первом случае неизменной остаётся частота переключения, а изменяется ширина импульса, во втором -ширина импульса или ширина паузы остаётся неизменной, а изменяется частота.
Устройства подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения
При потребляемой мощности 5 Вт станция ЭС-2 (с заряженной за светлое время суток АБ) работает в течение трех часов. Станция ЭС-2А работает то же время при потребляемой мощности 15 Вт. 1. Сформулирован перечень факторов, определяющих особенности структурных схем электронных систем управления солнечными станциями. 2. Проанализированы возможные структурные схемы с учетом конкретных требований и перечня факторов по п. 1. 3. Рекомендованы к применению три базовых структурных схемы электронных систем управления станциями с выходной мощностью от 10 до 500 Вт. 4. Приведен анализ электрических схем высокочастотных инверторов, контроллеров и зарядных устройств. 5. Разработана оригинальная схема инвертора с выходным синусоидальным напряжением при использовании для питания инвертора формирователя однополярных полусинусоид. 6. Разработана схема регулятора заряда и защиты, позволившая исключить симметрирующие устройства при использовании нескольких последовательно включенных аккумуляторных батарей. 7. Приведены результаты практической разработки станций типа ЭС-2 и ЭС-2А. Импульсные помехи в аппаратуре автономных объектов появляются, главным образом, из-за внешних наводок. Наибольшие значения амплитуд импульсных помех в системах рассматриваемого класса наводятся при грозовых разрядах на токопроводах, соединяющих солнечные панели с аппаратурой. Другая по значимости причина наводимых помех - это наличие в окружающем пространстве импульсных полей, создаваемых различного рода источниками искусственного происхождения: линиями передачи, радиопередающими устройствами, высоковольтными установками и т.п. Для большинства групп помех требуются специальные помехоподавляющие устройства. Наиболее распространены среди этих устройств пассивные фильтры. Основным показателем фильтра является вносимое затухание помех, измеряемое или расчётное методом отношения напряжений помех без фильтра и с фильтром. Помехоподавляющие устройства должны проектироваться с учётом следующих требований: 1. Надёжность устройства должна быть на порядок и более выше надёжности защищаемой аппаратуры. 2. Уровень максимального напряжения на выходе устройства во время действия импульса должен быть возможно ближе к номинальному напряжению питания во всём диапазоне рабочих температур. 3. Время срабатывания устройства должно быть минимально возможным. 4. Устройство должно располагаться непосредственно вблизи защищаемой аппаратуры. 5. Цена, вес и размеры устройства должны составлять незначительную часть цены, веса и размеров аппаратуры. По токопроводам токи помех могут распространяться по симметричному (между проводами) и несимметричному (между проводом и землёй) путями. Протяжённость токопровода может достигать десятков метров. ЭДС помехи может достигать десятков сотен вольт. Первый вид помех ограничивается фильтрами контроллера, выходного адаптера, нагрузки - конденсаторами, устанавливаемыми на их входах и выходах, а также другими приборами, снижающими симметричные помехи, например, полупроводниковыми ограничителями напряжения (ПОН) [48]. Второй вид помех труднее поддаётся устранению. С этим видом помех обычно борются с помощью режекторных дросселей, намотанных совместно двумя проводами на сердечнике с воздушным зазором, и конденсаторов, соединяющих каждый из двух проводов токопровода с корпусом [ 49 ].
На рис.3.1а индуктивный фильтр (Ъф) - режекторный дроссель показан на входе контроллера (К). "Корпусные" конденсаторы Сф/2 установлены на входе нагрузки (Н). Прочие обозначения на рис.3.1а: АБ - аккумуляторная батарея, ВА - выходной адаптер, ЗУ - зарядное устройство (показано пунктиром, так как используется не в штатном режиме - при наличии сети 220В, 50Гц), ТП - токопровод, VD[ -ПОН, R„ - сопротивление нагрузки, Rn - внутреннее сопротивление солнечной панели, R 2 - сопротивления токопровода, RK, RBa -внутренние сопротивления контроллера и выходного адаптера, R3 -сопротивление провода заземления, С] ... С5 - ёмкости конденсаторов фильтров между проводами токопровода, Lb L2 - паразитные индуктивности токопровода, L3 - индуктивность провода заземления, е/2 - импульсная ЭДС несимметричных помех, воздействующая на каждый из проводников токопровода, Еп - ЭДС постоянного тока солнечных панелей [49].
Технические характеристики ЭС, предлагаемых к разработке и выпуску
В соответствии с решением Первой межотраслевой научно-практической конференции по солнечной энергетике (С.-Петербург, 1995 г.), утвержденным Госкомоборонпромом России, ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» (Москва) поручены разработка и производство преобразовательных устройств и контроллеров, обеспечивающих построение ЭС с выходной мощностью от 10 Вт до нескольких сотен ватт.
В 1998 году в НИИВК был подготовлен бизнес-план проекта организации производства солнечных электростанций малой и средней мощности, предназначенных для широкого применения в народном хозяйстве и спецаппаратуре. В разработке этого бизнес-плана принял участие автор настоящей диссертации. В настоящей главе использованы выполненные автором материалы этого бизнес-плана, касающиеся, в основном, технических аспектов проекта.
За прошедшее время план корректировался и в настоящее время реализуется с учетом этих корректировок. Учитывая широкую номенклатуру необходимых для реализации проекта узлов и устройств, проектом была предусмотрена широкая кооперация исполнителей. В качестве головного предприятия определен НИИВК, которому поручены научно-исследовательские работы, разработка электронных узлов ЭС, выпуск основной части КД, часть производства электронных устройств, организация и координация работ предприятий-соисполнителей. Ключевыми соисполнителями являются ОАО «Красное Знамя» и ЗАО «ОКБ завода «Красное Знамя» (Рязань), ОАО «ВТ и ПЭ» (дочернее предприятие НИИВК, Москва), Фонд «Энергетическая электроника» (Москва).
При выборе и определении указанной кооперации были учтены хорошо отработанные научно-технические и производственные связи между входящими в нее предприятиями, высокий технологический уровень массового радиоэлектронного производства (особенно в ОАО «Красное Знамя»), высокая научно-техническая и производственная квалификация персонала. Немаловажными критериями выбора были: - имеющийся опыт выполнения заказов специального, в том числе, оборонного назначения, а также опыт в области так называемых «двойных технологий»; - максимальное использование отечественной технологической конструктивной и элементной базы. В ходе работы предполагается самое тесное сотрудничество с другими предприятиями и фирмами, специализирующимися в области солнечной энергетики, в первую очередь, - с российскими: НПО «Квант», НПО «Сатурн», Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе, ВНИИ ЭСХ, НПО «Машиностроение» и др. Кооперация также поддерживает научно-технические контакты с рядом организаций в СНГ и в дальнем зарубежье. Технические характеристики ЭС, предлагаемых к разработке и выпуску. Бизнес-планом предложены к освоению 3 модели ЭС: - ЭС-1 мощностью 200 Вт, 220 В 50 Гц (ПО В 60 Гц)/ - 12 В, предназначена широкому кругу потребителей, в основном, в сельской местности для питания теле- и радиоаппаратуры, компьютеров, холодильников, насосов, компрессоров, вентиляторов. Аккумуляторной батареей ЭС-1 может не комплектоваться, предполагается использование АБ автомобиля. При этом цена в первый год производства составляет около $1,5 тыс. При комплектации аккумуляторной батареей емкостью 45 Ач и панелью электроизмерительных приборов цена составит около $1,8 тыс. - ЭС-2 мощностью 10 Вт (аккумуляторная батарея - 12В х 2 Ач) или ЭС-2А мощностью 30 Вт (АБ - 12В х 6,5 Ач), выход = 3...9 В регулир./=12В [8] предназначена туристам, геологам, дачникам и др. для питания маломощных радиоприемников, магнитофонов, плейеров, осветительных устройств и т.д. В первый год производства цена ЭС-2 -около $215, ЭС-2А - около $360; - ЭС-3 - станция, построенная по модульному принципу. Может обеспечить питанием ферму, небольшой поселок, больницу, специальную аппаратуру. Модуль ЭС-3 мощностью 100 Вт (аккумуляторная батарея 12В х 15 Ач), выход 220 В 50 ГЦ (110 В 60 Гц)/ = 12 В. Пять модулей конструктивно объединяются в блок 0,5 кВт (ЭС-3А), два и более блоков могут быть объединены в станцию 1,0 кВт (ЭС-ЗБ), 1,5 кВТ (ЭС-ЗВ) и т.д. В первый год производства цена ЭС-3 А составит около $1,5 тыс., ЭС-ЗБ - около $3,0 тыс., ЭС-ЗВ - около $4,5 тыс. Последние указанные цены (на разные модели ЭС-3) приведены без учета стоимости СП. В качестве штатных СП для различных электростанций предполагается использовать: - для ЭС-1 - панели общей эффективной площадью около 3 м ; - для ЭС-2 - панели эффективной площадью около 0,1 м2; - для ЭС-2А - панели эффективной площадью около 0,3 м ; - для ЭС-3 А - панели общей эффективной площадью до 6,0.. .8,0 м . В более мощных электростанциях ЭС-1 и ЭС-3 разных моделей площадь используемых СП, как правило, выбирается заказчиком, исходя из предполагаемого режима функционирования станции, географической широты и высоты над уровнем моря, а также преобладающих метеусловий в районе эксплуатации и т.д. В качестве штатных АБ для различных электростанций приняты: - для ЭС-1 - емкостью от 30 до 100 Ач; как уже говорилось, предполагается широко использовать аккумуляторные батареи автомобилей; - для ЭС-2 - емкостью 2 Ач; - для ЭС-2А - емкостью 6,5 Ач; - для ЭС-3 - емкостью 75 Ач и более. Контроллер (устройство управления станцией) в ЭС-1 конструктивно выполнен в качестве отдельного блока. В ЭС-2 и ЭС-2А контроллер размещен в блоке ПРА совместно с АБ. В ЭС-3 контроллер входит в состав модуля.
