Пилипенко Сергей Петрович

   Актуальность
   Развитие крупных тепловых, атомных и гидроэлектростанций со все большими и большими единичными мощностями генерирующего оборудования не могло не оказать отрицательного влияния на экологию нашей планеты. Дальнейшее наращивание мощностей электростанций зашло в глухой угол, так как экологические предостережения, энергетический кризис и многомиллиардные расходы на проекты атомной энергетики заставили многих усомниться в рациональности парадигмы централизованной плановой электроэнергетики. [1]
   Как известно, экологическая обстановка на Земле стоит под угрозой, поэтому человечество должно внедрять в повседневную жизнь альтернативные экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как ветроэнергетика и гелиоэнергетика, тем самым, предотвратив увеличение риска гибели биосферы планеты. Одним из оптимальных видов возобновляемого источника энергии является - Солнце. Уже сегодня можно сказать, что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике, обосновать актуальность применения которой можно следующими факторами:

    • доступность и возможность локального использования практически в любом месте;
    • прямое преобразование энергии солнца в электрическую энергию при помощи фотоэлектрических преобразовалей (ФЭП) без вращающихся механических частей.

   Если учесть эти факторы, то большинство новых технологий в сфере солнечной энергетики становится вполне конкурентноспособными с существующими технологиями. ФЭП вырабатывают постоянный ток, поэтому для преобразования его в переменный ток промышленной частоты (50 Гц) необходим инвертор.

   Вторым важным моментом является снижение потребления электроэнергии, достигнуть чего можно при помощи внедрения энергосберегающих технологий, в частности энергосберегающих ламп. Учитывая, что в Украине на освещение расходуется приблизительно 1000 000 кВт*час в год, то замена ламп накаливания на энергосберегающие приведет к значительному снижению потребления электроэнергии. Это следует из преимуществ энергосберегающих (люминесцентных) ламп:

  1. Световая отдача люминесцентной лампы в среднем в пять раз больше, чем у лампы накаливания. Световой поток люминесцентной лампы 20 Вт приблизительно равняется световому потоку лампы накаливания 100 Вт. Соответственно энергосберегающие лампы позволяют снизить потребление электроэнергии приблизительно на 80% без потери привычного уровня освещенности.
  2. Чаще всего причиной выхода из строя обычной лампы является перегорание нити накаливания. Строение и принцип работы люминесцентной лампы принципиально другие, поэтому срок ее работы в среднем в 6-15 раз выше, чем у лампы накаливания, и составляет от 6 до 12 тысяч часов.
  3. Кроме меньшего потребления электроэнергии энергосберегающие лампы выделяют гораздо меньше тепла, чем лампы накаливания.
  4. Площадь поверхности энергосберегающие ламп больше, чем площадь поверхности спирали накаливания. Благодаря этому свет распределяется по помещению мягче и равномернее, чем от лампы накаливания, а это, в свою очередь, снижает утомляемость глаз.

   В таблице 1 приведен расчет расхода на освещение, при использовании энергосберегающей лампы NovaLux+ FB-24/42-230/50, мощностью 24 Вт, вместо лампы накаливания мощностью 150 Вт. [6]
   

Таблица 1. – Расчет расхода электроэнергии на освещение разными лампами

Показатели	Энергосберегающая лампа NovaLux+ FB-24/42-230/50	Лампа накаливания
Срок службы	до 8000 часов	до 1000 часов
Потребляемая мощность, Вт	24 Вт	150 Вт
Стоимость лампы (ламп)	22,00 грн	1,20 грн х 8 шт = 9,6 грн
Стоимость потребленной электроэнергии, за 1000 часов работы	3,74 грн	23,40 грн
Стоимость потребленной электроэнергии, за 8000 часов работы	29,95 грн	187,20 грн
Итого расходы на освещение,за 8000 часов	51,95 грн	196,80 грн

   Энергосберегающая лампа экономит значительную сумму денег, при этом потребитель получает более качественное освещение, расходуя гораздо меньше электроэнергии.
   Большой недостаток энергосберегающих ламп заключается в том, что они являются импульсной нагрузкой, так как работают на высокой частоте.
   В свою очередь инвертор, подключенный к ФЭП, преобразует ток с искажениями, что приводит к несимметрии и несинусоидальности напряжения.
   Учитывая выше сказанное возникает задача расчета показателей электромагнитной совместимости (ЭМС), так как обеспечение ЭМС является одним из основных требований к системам электроснабжения.
   ЭМС – это способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. [4]
   В связи с этим вопросы связанные с питанием энергосберегающих ламп от ФЭП являются важными и своевременными в современной энергетике, что подтверждает актуальность данной работы.

   Цель работы
   Опеределение количественных показателей ЭМС при питании импульсной нагрузки от ФЭП.
   Для достижения сформулированой цели необходимо решить задачи:

  • разработка схемы экспериментальных исследований для определения количественных показателей ЭМС при питании энергосберигающих ламп от солнечной электростанции (СЭС) типа СА1-250;
  • экспериментальное определение технических парамертов СЭС АС1-250;
  • исследование переходных и установившихся режимов работы энергосберигающих ламп при питании их от СЭС АС1-250;

   Объект исследований – переходные процессы и установившийся режим работы схемы.

   Предмет исследований – доза несимметрии напряжений.

   Методы исследований – исследования производятся с использованием цифрового регистратора "РЕКОН-08БС", снятие осциллограмм напряжений и токов нагрузки и источника; дальнейшая обработка на персональном компьютере при помощи програмного обеспечения входящего в комплект цифрового регистратора.

    Практическое значение результатов
   В данной работе были разработаны методы оценивания ЭМС СЭС питающей импульсную нагрузку (энергосберегающие лампы). Результаты могут быть использованы при проектировании систем электроснабжения, а так же в учебном процессе в курсах светотехника, электроснабжение, ЭМС.

   Основное содержание работы
   Во вступлении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований.

   Первый раздел
   Для разработки схемы экспериментальных исследований был использован измерительный регистрирующий многоканальный прибор "РЕКОН-08БС», предназначенный для сбора, обработки, регистрации и анализа измерительной информации электрических сигналов произвольных датчиков, а также процессов переключений в цепях коммутационной аппаратуры во время ремонта, наладки или диагностики промышленного оборудования (может использоваться также в качестве современной альтернативы светолучевого осциллографа).
   Прибор "РЕКОН-08БС" обеспечивает следующие режимы регистрации:

   «адаптивный» - длительность регистрации определяется временем существования пусковых;
   «фиксированный» - длительность регистрации устанавливается при настройке прибора;
   «старт-стопный» - процесс регистрации может приостанавливаться пользователем в любые моменты и на произвольные интервалы времени.

   Прибор обеспечивает регистрацию промышленной частоты, периодического сигнала, подаваемого на 4-й аналоговый канал. Частота может регистрироваться в любых режимах, кроме режимов регистрации в которых используется частота дискретизации 20кГц.

  •диапазон регистрируемой частоты, Гц 37...99;
  •относительная погрешность частоты, не более 0,02%;
  •относительный уровень сигнала, частота которого регистрируется, в % динамического диапазона, не менее 3%;
  •быстродействие определения частоты - не более одного периода входного сигнала.

   Второй раздел
   Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине (1-2 мкм) от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
   Во время освещения ФЭП происходит преобразование энергии квантов света в энергию движущихся по внешней цепи электрических зарядов. Типичные значения напряжения холостого хода Uхх однокаскадного ФЭП находятся в диапазоне 0,3..1,0 эВ [5], и в основном определяются электрофизическими параметрами и степенью легирования материала, на основе которого изготовлен ФЭП.
   Другой важной характеристикой прибора является его ток короткого замыкания Iкз, определяемый при коротком замыкании между выводами ФЭП. Величина Iкз зависит не только от электрофизических параметров прибора, но и от его площади, поэтому часто вместо Iкз используют другую характеристику – плотность тока короткого замыкания Jкз, которая равна частному от деления Iкз на площадь освещаемой поверхности прибора. Типичные значения этого параметра находится в пределах от единиц до нескольких десятков миллиампер на квадратный сантиметр освещаемой площади прибора. [5]
   На рис.1 показаны типичная вольт амперная характеристика кремниевого ФЭП.

   

Рис. 2.1. Типичная вольт-амперная характеристика ФЭП на основе кристаллического кремния при измерении на имитаторе внеатмосферного солнца. Кривая 1 – световая характеристика, кривая 2 – темновая.

   Uн и Jн – значения напряжения и плотности тока в нагрузочной цепи при режиме работы ФЭП, соответствующему максимальной выделяемой мощности на сопротивлении нагрузки.
   Важным параметром ФЭПП является коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики ϑ, определяемый отношением площади под световой вольт-амперной характеристикой прибора в первом квадранте системы координат на рис.2.1 к площади прямоугольника со сторонами Uхх и Jкз. У современных солнечных элементов величина параметра ϑ находится в пределах 0,75..0,80. Поскольку в простейшем варианте ФЭП представляет собой полупроводниковый диод, то его световая вольт-амперная характеристика определяется соотношением, полученным модификацией соответствующего соотношения для неосвещаемого p-n перехода:

где Iф – фототок, протекающий через переход, Iон – обратный ток насыщения, e – заряд электрона, Rп – последовательное сопротивление ФЭП, A – коэффициент, получаемый из сравнения теоретической и экспериментальной вольт-амперных характеристик (принимает значения от 1 до 5), k – постоянная Больцмана, T – температура прибора, Rш – шунтирующее сопротивление ФЭП.
   На рис.2.2 приведена схема замещения ФЭП.

   

Рис.2.2. Эквивалентная схема фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии.

   На схеме (рис.2.2) обозначено направление протекания прямого тока Iд через p-n – переход (диод) и прямое напряжение на нем Uд. Источник тока Iф имитирует явление возникновения фототока. Идеальный диод VD, учитывает ток, протекающий через p-n переход под действием прямого смещения. Rш - шунтирующее сопротивление ФЭП, учитывает наличие токов утечки. Rп - последовательное сопротивление ФЭП, учитывает наличие контактных соединений между полупроводником и металлическими вводами, а также прямое сопротивление p и n областей.

   Третий раздел.
   Исходными для расчетов показателей ЭМС являются осциллограммы или их характеристики. В общем случае сеть, электроприемники и средства улучшения ЭМС представляются схемами замещения с сосредоточенными параметрами: комбинацией активных сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Внешние и внутренние помехи учитываються раздельно. [2]
   При нахождении графика внутренней помехи источники помех считаются источниками тока, нагрузка которых инвариантна по отношению к любым изменениям в сети. Схема замещения (рис. 3.1) представляет собой параллельно соединенные источник тока, электроприемник и сеть. Помехой является напряжение между точками а и b.

   

Рис. 3.1. Расчетная схема для определения внутренней помехи

   Для маломощных систем электроснабжения источники помех нельзя считать источниками тока, а следует исходить из принципа инвариантности индивидуальных проводимостей, которые не зависят от изменений параметров режима сети. Непериодические помехи задаются в виде решетчатой функции, периодические – в виде ряда Фурье. Для расчета показателей ЭМС используются ниже приведенные методы:

   1. Метод парциальных реакций – суть заключается в том, что фильтр заменяется эквивалентной системой, которая состоит из n параллельно включенных инерционных звеньев первого порядка. Искомое решение сводится к суммированию парциальных реакций.

   2. Преобразование процессов статическими системами – если помеха задана реализацией, то путем функционального преобразования y=φ(x) находится график реакции, ординаты которого возводятся в квадрат, и определяется показатель ЭМС.
   3. Преобразование процессов линейными динамическими системами – по заданной реализации x(t) реакция Y(t) находится путем решения дифференциального уравнения, связывающего входной и выходной процессы во взвешивающий фильтр, либо с использованием интеграла Дюамеля.
   Если задан ансамбль реализаций входного процесса, то каждая из них преобразуется как детерминированная функция, что делает ансамбль реакцией.
   4. Инерционное сглаживание – инерционные звенья используются для моделирования инерционности объектов, а также в методе парциальных реакций. Рассмотрены два случая: инерционное сглаживание без квадратора (считая, что коэффициент передачи a звена отличен от единицы); при квадратичном инерционном сглаживании на вход звена подается у²(t).

   Список литературы:
   1. А. В. Праховник. Малая энергетика: распределенная генерация в системах энергосбережения. Київ, «Освіта України», 2007.
   2. В. Г. Кузнецов, Э. Г. Куренный, А. П. Лютый. Электромагнитная совместимость. «НОРД-ПРЕСС», 2005.
   3. Т. Г. Поспелова. Основы энергоснабжения/УП «Технопринт», Минск, 2000.
   4. ГОСТ 30372-95. Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. – Введ. 01. 01. 1997.
   5. А. В. Левшов, Филь Е. А. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Нетрадиционные и возобновляемы источники энергии». Донецк: ДонНТУ, 2004.
   6. НОВАТЕХСТРОЙ. http://www.novalux.com.ua