ДонНТУ   Портал магістрів

Мирний Олександр Віталійович

Електротехнічний факультет

Кафедра Системи програмного управління і мехатроніки

Спеціальність Мікропроцесорні системи управління поновлюваними джерелами енергії

Дослідження комбінованої автономної установки на відновлюваних джерелах енергії

Науковий керівник: проф. Калашников Віктор Іванович

Резюме Реферат

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати
• 3. Опис елементів системи
• 3.1 Джерела енергії
• 3.2 Накопичувачі енергії
• 4. Розрахунок споживачів змінного струму
• 5.Розробка системи енергоменеджменту
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Системи автономного електропостачання – це системи, які забезпечують електропостачання ділянок, які не мають можливості брати цю електроенергію з довколишніх електростанцій. Як джерела електроенонергіі в таких системах можуть виступати як традиційні так і поновлювані джерела енергії. Найбільш перспективними вважаються комбіновані автономні системи на базі поновлюваних джерел енергії таких як вітрова та сонячна. Основні проблеми таких систем пов'язані з необхідністю ефективного зберігання енергії з урахуванням нерівномірного надходження енергії вітру і сонця та зміни ККД її перетворення протягом доби і року.

1 Актуальність теми

В останні роки намітилася тенденція переходу з традиційних джерел енергії на поновлювані. Для реалізації цього переходу необхідно розвиток теорії і практики застосування автономних енергосистем. Об'єктом досліджень даної роботи є автономна система електропостачання ділянки, що базується на різних видах альтернативних джерел енергії. Також розглянуті елементи цієї системи і методи її управління.

Останні дослідження в області автономних енергосистем демонструють тенденцію переходу від систем з одним джерелом енергії (вітрогенератор або сонячна батарея) до гібридних систем, що використовують відразу декілька джерел енергії. Це дозволяє скоротити кількість акумуляторних батарей в 2 рази за рахунок врівноважує характеру надходження енергії сонця і вітру протягом року. У комбінованих установках обладнується додатковий резервне джерело енергії, на водні, що дозволяє зменшити кількість акумуляторних батарей ще в 2 рази [1]. Стають актуальними системи енергоменеджменту, що використовують інтелектуальні алгоритми управління, що дозволяє раціоналізувати політику витрати енергії і прогнозувати її генерацію [2].

2 Мета і завдання дослідження, плановані результати

Мета і завдання дослідженняp>

1. Аналіз і опис загальної схеми установки
2. Опис елементів комбінованої установки;
3. Опис алгоритму енергоменеджменту з урахуванням прогнозу погоди;

3 Опис загальної схеми установки

3.1 Джерела енергії

Енергія, що виробляється вітроустановкою і сонячною батареєю, а також енергія, акумульована в водневої установки, надходить через гібридний контролер заряду в акумуляторну батарею. Воднева установка є накопичувачем електричної енергії і резервним джерелом живлення. Система енергоменеджменту в залежності від рівня заряду акумуляторної батареї, дає дозвіл на включення споживачів 1–4 груп. Всі споживачі енергії в даній системі були розбиті по пріоритету потужності і роботи. Споживачі першої групи управляють і стежать за роботою системи. Вони працюють цілодобово. До споживачів першої групи відносяться: зарядний пристрій, інвертор, перетворювач постійного струму, мікроконтролер, система управління і.т.д. До споживачів другої групи відносять освітлення, ноутбук, холодильник, супутникова тарілка, радіогодинник, принтер, блендер і TV/DVD–система. Вони мають малу номінальну потужність (до 300 Вт). Освітлення, холодильник використовуються постійно, а ноутбук є засобом зв'язку. До споживачів третьої групи відносять міні-пральну машинку (13л.) І пилосос. Номінальна потужність 3-ї групи до Потужність 700 Вт. До споживачів четвертої групи відносять потужні прилади від 1000 до 2200 Вт і вище, такі як електрочайник, електроплита, бойлер, праска. Для раціонального розподілу енергії було запропоновано рішення уникати одночасної роботи декількох споживачів четвертої групи. Тобто можлива одночасна робота споживачів перших трьох груп з тільки одним приладом 4-ї групи. Блок прогнозу погоди здійснює передачу системі енергоменеджменту інформації про ймовірну енергії, отриманої в майбутньому. Цей блок може бути реалізований завдяки метеорологічним станціям, дані з яких беруться з інтернету. Сам блок акумуляторних батарей в складі системи енергопостачання експлуатується в двох режимах: буферном і циклічному «заряд-розряд» [3]. Харчування споживачів забезпечує автономний інвертор, підключений до акумуляторної батареї.

На малюнку 1 представлена структурна схема комбінованої установки.

Головними джерелами енергії для автономної електростанції є вітрогенератор і сонячна батарея. Для автономних установок малої потужності (до 10 кВт) рекомендується використовувати вітрогенератори з вертикальною віссю обертання (ротор Савоніуса, ротор Масгроува, турбіна Дар'є). Вони мають ряд переваг [3]:

1. Не вимагають орієнтації за напрямком вітру
2. Працюють при будь-якому напрямку повітряного потоку
3. Не вимагають редуктора
4. Низький рівень аеродинамічного і инфразвукового шуму
5. Низькі теле-і радіоперешкоди
6. Низька початкова швидкість вітру для початку роботи (1 м / с)

На малюнку 2 показані основні типи вітроустановок з вертикальною віссю обертання.

Останнім часом розвиток отримав комбінований тип вітроколеса Дар'є-Савоніуса. Даний тип вітроколеса завдяки об'єднанню двох конструкцій має дві незаперечні переваги перед класичними типами: по-перше, даний ротор має великий коефіцієнт швидкохідності завдяки наявності лопатей ротора Дар'є, по-друге, наявність лопатей Савоніуса робимо можливим самозапуск установки, якого спочатку позбавлений ротор Дар'є. [4,13]. Даний ротор представлений на малюнках 3 і 4.

Сонячна батарея – це напівпровідниковий пристрій, прямо перетворює сонячне випромінювання в постійний струм. Найбільш поширені сонячні батареї на основі кристалічного кремнію. На малюнку 5 показаний принцип дії сонячної батареї. Кремнієві пластини фотоелементів розрізняються за технологією виготовлення на монокристалічних та полікрісталіческіе. Перші мають більш високий ККД, а й собівартість їх виробництва вище [5].

Як видно з малюнка 1 сонячна батарея і вітрогенератор підключені до контролера заряду. Контролери заряду перетворять електроенергію від вітрогенераторів і сонячних батарей в енергію, придатну для заряду акумуляторних батарей, забезпечують різні зарядні струми акумуляторної батареї в залежності від рівня заряду і стежать за температурою всередині акумулятора. Контролери заряду в першу чергу необхідні для оптимізації і регулювання режимів заряду / розряду акумуляторної батареї з метою продовження їх терміну служби. Систематичний перезаряд призводить до підвищення температури осередку і згодом екзотермічніреакцій на негативному електроді, що призводить до розгерметизації і займання акумулятора [6]. Глибокий же розряд небезпечний для акумуляторних батарей тим, що веде до зниження ємності акумуляторної батареї через розчинення твердого електролітного інтерфейсу в електроліті. Останнім часом в контролерах заряду сонячний батарей була впроваджена технологія MPPT (Maximum Power Point Tracking), що забезпечує можливість отримувати максимально можливу вихідну потужність завдяки імпульсним перетворювачів постійного струму [7]. До складу контролера заряду входить система управління, реалізована на базі мікроконтролера та силова частина у вигляді імпульсного понижуючого перетворювача постійної напруги (buck converter), спрощена схема якого показана на малюнку 6

Рекомендується застосовувати контролери заряду з алгоритмом відстеження ТММ для отримання максимальної потужності від сонячних батарей. Існує 2 основних алгоритму відстеження MPP: обурення і спостереження (perturbation and observation) і зростаючої провідності (incrementing conductance). На малюнку 7 продемонстровані блок-схеми алгоритмів MPP: обурення і спостереження і зростаючої провідності [8].

Контролер заряду з алгоритмом відстеження MPP дозволяють заряджати акумуляторну батарею з номінальною напругою нижчим, ніж номінальна напруга сонячної батареї. Тобто кілька послідовно з'єднаних сонячних модулів з напругою, що перевищує номінальну напругу акумуляторної батареї, підключаються на вхід MPP–контролера (діапазон вхідних напруг в залежності від моделі складає 75–150 В). Також з'явилися контролери заряду з максимальним вхідною напругою до 200В. Потужні контролери заряду розраховані на вхідний струм 60-80А (можливе підключення сонячних панелей потужністю до 4 кВт при напрузі 48В).

При використанні методу обурення і спостереження пристрій на невелику величину змінює еквівалентну вхідний опір перетворювача (шляхом варіювання скважности силового ключа або зміни завдання на вхідні величини напруги, струму або потужності), внаслідок чого варіюється напруга на сонячної панелі і далі проводиться вимірювання її вихідних параметрів. Якщо потужність збільшується - контролер продовжує змінювати задає параметр в цьому ж напрямку, поки потужність не перестане зростати. Даний метод є наиболе поширеним, незважаючи на те, що він призводить до коливань потужності. Широке застосування цього методу обумовлено його простотою. У методі зростаючої провідності перетворювач фіксує збільшення струму і напруги сонячної батареї, щоб передбачити ефект від зміни напруги. Він трубет збільшення обчислень мікро контролером, але при цьому відстежує зімененіе навколишніх умов з більшою швидкістю, ніж метод обурення і спостереження. Цей спосіб так само призводить до коливань потужності. Розглянутий метод використовує зростаючу провідність 24dI/24dU сонячної батареї для обчислення знака зміни потужності по відношенню до напруги 24dP/dU. При цьому обчислюється точка максимальної потужності і проводиться порівняння зростаючої провідності з провідністю сонячної батареї I/U. При виконанні умови I/U=I/U вихідна напруга дорівнює напрузі, відповідного максимального значення потужності. Розглянуті алгоритми націлені в першу чергу на відшукання локальних максимумів потужності сонячної батареї. Всі вони припускають коливання потужності, які можуть бути знижені за допомогою введення алгоритмів зміни кроку. Алгоритм зростаючої провідності набагато швидше відпрацьовує зміни освітленості, однак для коректної роботи необхідно проводити більше арифметичних операцій на кожному такті його роботи. До недоліків даного методу також можна віднести високу чутливість до перешкод і зміни кроку. [9]

3.2 Накопичувачі енергії

Незважаючи на наявність акумуляторів, можуть виникнути ситуації, коли ні сонячні батареї ні вітроустановка не зможуть дати достатньо електроенергії для постачання споживачам через поганим погодних умов. Для подібних випадків доцільно ввести ще один накопичувач енергії, який буде акумулювати енергію в той час, коли акумулятор повністю заряджений і на автономну мережу немає особливого навантаження, наприклад, вночі. Найбільш перспективними вважаються накопичувачі на основа водневого циклу, що складаються з електролізера води і акумуляторів водню (або кисню) За рахунок електроенергії від сонячної батареї і вітроустановки, в періоди низького енергоспоживання в результаті електролізу води може виробляється газоподібний водень (або кисень). Накопичена в вигляді H₂(O₂ енергія може бути перетворена з допомогою електрохімічного генератора і віддана споживачеві. Заряджати водневу установку планується змінним струмом, що надходять від інвертора. На виході ж воднева установка видаватиме постійний струм на контролер заряду [8].

Найдорожчим і самим «слабким» ланкою в автономних електростанціях є акумуляторна батарея. З точки зору енергоємності найкращими є літій-іонні акумулятори (на основі оксиду марганцю MnO₂/Mn₂O₄, оксиду нікелю NiO₂ і оксиду кобальту CoO₂). В останні роки набирає тенденцію використання літій-полімерних акумуляторів в зв'язку з можливістю отримання дуже гнучких форм акумуляторних батарей [10]. Перевагами літій-іонних акумуляторів є не тільки більш висока ємність, а й здатність працювати з великим струмом навантаження. Крім того, на відміну від нікель-металгідридних, у літій-іонних акумуляторів відсутній так званий ефект пам'яті. Дані акумуляторні батареї зазвичай з'єднуються послідовно і паралельно для забезпечення необхідної споживачеві сили струму і напруги. Однак температурний режим акумуляторної батареї може бути різним у залежності від їх розташування в місці зберігання. Через це може статися розкид характеристик, який суттєво позначається на термін їх служби. Для мінімізації розкиду характеристик створюються системи енергопостачання з інтелектуальними алгоритмами і пристроєм балансування осередків [6]. На малюнку 8 показаний принцип роботи і будову літій-іонної батареї.

Для вирівнювання ступеня заряду і напруги на окремих акумуляторах в АБ використовуються спеціальні пристрої балансування. Структурна схема цього пристрою представлена на малюнку 8. На кожну пару послідовно з'єднаних акумуляторів в АБ підключаються блоки "переносу заряду", що включають в себе два комутаційних ключа і комутований конденсатор. Конденсатор постійно перемикається між двох акумуляторів, доставляючи, таким чином, заряд від акумуляторів з великим зарядом до акумуляторів з меншим зарядом, поступово вирівнюючи на них заряд. При цьому кожен такий блок має потребу в простому управлінні комутацією силових ключів. Кілька блоків "переносу заряду" можуть бути використані для послідовного ланцюга акумуляторів високовольтної АБ. Оскільки акумулятори В2..Вn-1 ділять свій блок "переносу заряду" з двома сусідніми акумуляторами, то заряд може подорожувати від одного кінця послідовного ланцюга до іншого. Недоліком цієї схеми є потреба у великій періоді часу на транспортування заряду, в тому випадку якщо акумулятор з найбільшим зарядом і акумулятор з найменшим зарядом знаходяться з різних сторін послідовного ланцюга акумуляторів. В цьому випадку заряд буде "подорожувати" через кожен акумулятор з витратою часу та ефективності [11]. На малюнку 9 показано схема балансування акумуляторних осередків з одним комутованих конденсатором.

4 Розрахунок споживачів змінного струму.

У даній роботі розглядається автономна комбінована установка, яка не має зв'язку з мережею, за рахунок чого є ідеальним вирішенням проблеми енергопостачання децентралізованих об'єктів. Автономні комбіновані системи можуть мати як стаціонарне виконання, так і пересувне. У стаціонарних установках діапазон потужностей варіюється від 1 до 4.6 кВт, в пересувних від 7 до 10 кВт. Описувана стаціонарна автономна комбінована установка розрахована на потужність 3 кВт і має літій-іонні акумуляторні батареї на 24 В. Розрахунок виконується з урахуванням умови, що акумулятор повинен забезпечувати безперебійне живлення споживачів змінного струму протягом 7 днів без підзарядки. Навантаження визначається по потужності і часу роботи за період в 7 днів.

Всі споживачі енергії в даній системі були розбиті по пріоритету потужності і роботи. Споживачі першої групи управляють і стежать за роботою системи. Вони працюють цілодобово. До споживачів першої групи відносяться: зарядний пристрій, інвертор, перетворювач постійного струму, мікроконтролер, система управління і.т.д. До споживачів другої групи відносять освітлення, ноутбук, холодильник, супутникова тарілка, радіогодинник, принтер, блендер і TV / DVD-система. Вони мають малу номінальну потужність (до 300 Вт). Освітлення, холодильник використовуються постійно, а ноутбук є засобом зв'язку. До споживачів третьої групи відносять міні-пральну машинку (13л.) І пилосос. Номінальна потужність 3-ї групи до Потужність 700 Вт. До споживачів четвертої групи відносять потужні прилади від 1000 до 2200 Вт і вище, такі як електрочайник, електроплита, бойлер, праска. Для раціонального розподілу енергії було запропоновано рішення уникати одночасної роботи декількох споживачів четвертої групи. Тобто можлива одночасна робота споживачів перших трьох груп з тільки одним приладом 4-ї групи.

Таблиця 1 – Споживачі змінного струму

5 Розробка системи енергоменеджменту

За керування споживачами комбінованої автономної установки відповідає система енергоменеджменту. Її мета полягає у визначенні поточного рівня накопиченої енергії і розрахунку прогнозованої енергії, а також у відключенні або включенні певних груп споживачів за рахунок алгоритму, який оцінює, раціону льно чи буде зменшити або збільшити витрачається потужність за умови поповнення електроенергії в майбутньому [12]. На малюнку 10 продемонстрований алгоритм роботи системи енергоменеджменту.

На початку алгоритм системи управління оголошує початкові змінні такі як: E_akk, E_akk* - ємність на акумуляторі, Е_{прогноз} - прогнозована потужність, яка збереться за 15 хвилин, Е_{групп1-4} - потужність 1-4 груп споживачів. Е_{групп4(1)} - дозволена потужність для споживачів 4 групи (потужність найпотужнішого приладу 4 групи), викл - команда на вимикання, dE - значення помилки, Е_пот - поточне значення потужності. Після оголошення змінних йде обчислення ємності акумулятора E_akk* і суми поточної і прогнозованої E_akk. Для обчислення прогнозованої потужності необхідні дані метеостанцій, які можна взяти з інтернету, а також дані багаторічних спостережень за погодою в області ділянки. Після цього система управління запитує інформацію про заряд акумулятора і в залежності від цього дозволяє включення:

1. Якщо енергії більше 20%, то дозволяється включення 1 і 2 групи споживачів. Якщо менше то:
   1. Якщо майбутня прогнозована потужність здатна покрити потужність 1 групи, то йде дозвіл на включення 1 групи.
   2. Якщо прогнозованої потужності не вистачає, то йде команда на вимикання.
2. Якщо енергії більше 40%, то дозволяється включення 1, 2 і 3 груп споживачів, якщо менше – йде порівняння з 20%.
3. Якщо енергії більше 80%, то дозволяється включення 1, 2, 3 груп і одного споживача 4 групи, якщо менше – йде порівняння з 40%.

Після даних умов через 15 хвилин обчислюється помилка dE, яка додається або віднімається від E_akk і алгоритм повторюється. Також реалізовано умова, при якому, якщо енергоспоживання 4 групи більше, ніж допустимий E_групп4(1), то йде відключення всіх споживачів 4 групи і повернення в умова порівняння ємності.

Висновки

В рамках проведених досліджень обгрунтовано застосування ккомбінірованной автономної системи з використанням енергії солнцечних, вітрових і водневих компоненонтов, що дозволяє істотно зменшити необхідну ємність акумуляторних батарей. Для оптимізації режимів роботи автономної установки целеесообразно використовувати системи енергоменеджменту з урахуванням прогнозу погода. Також був проведений розрахунок енергоспоживачів змінного струму необхідних для функціонування жилок ділянки.

Список джерел

1. Лаошвили, Д. П. Разработка смешанной автономной энергосистемы на базе возобновляемых источников энергии / Д. П. Лаошвили, Г. К. Кохреидзе // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ – Энергетика : научно-технический и производственный журнал. – 2010. – №3. – С. 10–15.
2. В.И. Калашников Автономные микрогрид-системы с возобновляемыми источниками энергии, как элемент концепции smart grid. Перспективы развития / В.И Калашников, С.Н. Ткаченнко, П.А. Хижняк // ISSN 2079–3944. Вісник НТУ ХПІ, 2015. 12 (1121)
3. Коберси И.С. Разработка контроллера заряда-разряда для ветроэнергетических систем / И. С Коберси, Н.А. Фиров, Д.А. Сахно// Известия ЮФУ. Технические науки. – 2013. – № 2 С. 248–253
4. Свободная энциклопедия Википедия, статья Darrieus wind turbine [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://en.wikipedia.org
5. Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://sovet-ingenera.com
6. Румянцев А.М. Поведение малогабаритных литий-ионных аккумуляторов в условиях перезаряда / А. М. Румянцев, Е. Г. Волжинская, В. В. Жданов. // Электрохимическая энергетика. 2007. – Т. 7 – № 2. – С. 73–77
7. абина Л.В. Анализа ветроустановок для электростанций малой мощности // Научный журнал КубГАУ – №78(04) – 2012.
8. Румянцев А.М. Поведение малогабаритных литий-ионных аккумуляторов в условиях перезаряда / А. М. Румянцев, Е. Г. Волжинская, В. В. Жданов. // Электрохимическая энергетика. 2007. – Т. 7 – № 2. – С. 73–77
9. Русскин В.А. Исследование алгоритмов поиска точки максимальной мощности для повышающего преобразователя напряжения солнечного инвертора / В.А. Русскин, С.М. Семёнов, Р.К. Диксон // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 4. 78–87
10. Свободная энциклопедия Википедия, статья Литий-полимерный аккумулятор [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ru.wikipedia.org
11. Cинь С. Математическая модель батареи литиево-ионных аккумуляторов // Выпускная квалификационная работа магистра. Санкт-Петербург 2016. с. 41
12. Григораш О.В. Стабилизация напряжения автономных инверторов солнечных электростанций / О.В. Григораш, М.А Попучиева // Научный журнал КубГАУ – №130(06) – 2017.
13. C. Srinivasan Design of Combined Savonius-Darrieus Wind Turbine / C.Srinivasan, G.Ajithkumar, S.Arul, G.Arulprasath, T.M.Dharunbabu // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) e–ISSN: 2278-1684,p-ISSN: 2320–334X, Volume 14, Issue 2 Ver. V (Mar.–Apr. 2017), PP 60–70
14. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., Солнечная єнергетика: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И.Виссарионова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 320 с
15. Свободная энциклопедия Википедия, статья «Отслеживание точки максимальной мощности» [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://en.wikipedia.org