ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Бабаев Фарид Бахлул

докторант, Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности,

Азербайджан, г. Баку

MAIN ELEMENTS OF A SOLAR POWER PLANT

Farid Babaev

doctoral student Azerbaijan State University of Oil and Industry,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Фотоэлектрическая панель, контроллер, инвертор и акку­муля­торы являются основными элементами солнечной электростанции. В статье рассматривается управление процессом работы солнечных панелей и аккумуляторов через логи­чес­кие контроллеры с целью повышения эффективности работы солнечных ус­та­новок. В рамках этой программы, помимо управ­ле­ния зарядкой аккуму­ля­то­ров, учитывалось управление солнечными панел­я­ми в зависимости от времени суток.

ABSTRACT

Photovoltaic panel, controller, inverter and batteries are the main elements of a solar power plant. The article discusses the process control of solar panels and batteries through logic controllers in order to improve the efficiency of solar installations. Within the framework of this program, in addition to managing the charging of batteries, the management of solar panels was taken into account depending on the time of day.

Ключевые слова: солнечная электростанция,  контроллер, солнечные панели, инвертор, аккумулятор.

Keywords: solar power plant, controller, solar panels, inverter, battery.

Принцип работы солнечной электростанции (ГЭС) основан на фотоэлектрическом эффекте, то есть принципе движения электронов, происходящих в материалах, на которые падает свет. Фотоэлектрические батареи состоят из мо­де­лей из полупроводниковых материалов, которые непосредственно преоб­ра­зуют падающую на них солнечную энергию в электрическую. С помощью сис­те­мы электроснабжения, подключенной к центральной сети, можно обес­печить производство электроэнергии необходимой мощности. Первоначально опреде­ляет­­ся количество энергии, необходимой для производства. Гене­ри­руе­мая энер­гия подключается к центральной энергосистеме через инверторы, ко­торые могут быть подключены к центральной энергосистеме и имеют высо­кую цикловую мощ­ность. Таким образом, энергия направляется непос­ред­ственно в энерго­сис­тему. Энергия, полученная от солнца, также имеет харак­те­ристику устойчивой энер­гии. Анализы показывают, что инвестиции в солнечную энер­гетику более вы­годны в сельском хозяйстве. Климатические усло­вия Азербайджана очень благо­приятны, а ценовое преимущество солнеч­ных электростанций по срав­не­нию с другими инвестициями в энергетику с каждым днем ​​увеличивает интерес к инвестициям в солнечную энергетику, и этот вопрос является актуальным [1].

Автономные фотоэлектрические преобразователи в основном предназ­на­чены для обеспечения электрической энергией отдельных потребителей. К ним относятся батарея, солнечная панель, контроллер, управляющий зарядкой и разрядкой батареи, и инвертор (рис. 1) [2,3].

Рисунок 1. Структурная схема автономного фотоэлектрического устройства

Фотоэлектрическая панель. Основная задача солнечного элемента или фотогальванической панели — преобразовывать солнечный свет в электричество. В настоящее время КПД типичной солнечной панели составляет около 10-25%, но в некоторых лабораторных условиях удалось достичь большего [4].  

Контроллер. Одним из важнейших компонентов солнечной электро­стан­ции (СЭС) является контроллер. Контроллер создает связь между солнечной батареей и аккумуляторной батареей.

Его основные функциональные задачи заключаются в следующем:

- автоматическое подключение солнечной батареи;

- Многоступенчатая зарядка аккумулятора;

- Автоматическое открытие солнечной батареи при полной зарядке батареи;

- переподключение нагрузки во время зарядки аккумулятора;

Все эти функции необходимы для экономии ресурсов батареи. Преждевременный отказ батареи увеличивает затраты на обслуживание системы. Пол­ная раз­рядка аккумуляторов также опасна и приводит к сульфитированию пластин и разрушению аккумулятора. Свинцово-кислотный аккумулятор чаще всего ис­поль­зуются в гелиоустановках и более чувствительны к указанным процессам.

В настоящее время более распространены два типа контроллеров: контроллеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и контроллеры с отсле­жи­ванием точки максимальной мощности (MPRT). ШИМ-контроллеры отклю­чают солнечные модули, не выключая их. Этот режим позволяет заряжать акку­му­ля­торы до 100%. Этот процесс выполняется автоматически в 4 этапа в зависимости от фактического уровня заряда батареи.

- основной этап - аккумуляторная батарея получает весь ток, вырабатываемый солнечной батареей;

- Стадия поглощения. Как только батарея достигает определенного уровня, PWM поддерживает его. Это предотвращает перегрев аккумулятора и газообразование. По мере заполнения батареи стоимость тока также сни­жается;

- Фаза поддержки-равновесия нагрузки. На этом этапе достигается полный уровень заряда и ток нагрузки естественным образом снижается для предотвраще­ния перегрева и повреждения аккумулятора;

- Этап балансировки электрической нагрузки. Только для аккумуляторов откры­того типа. На стадии уравновешивания процесс сопровождается выделением большого количества газообразных водорода и кислорода. Должна быть предус­мот­рена система вентиляции, способная обеспечить достаточное охлаж­дение для предотвращения взрыва.

ШИМ-контроллеры обычно используются в небольших системах мощностью от 100 Вт до 2 кВт, где заряжаются аккумуляторы небольшой емкости, сос­тоящие из нескольких модулей. Некоторые из них имеют светодиодные инди­ка­то­ры и ЖК-экраны, отображающие всю информацию о работе системы. Когда напряжение в аккумуляторной батарее достигает определенного уровня, алго­ритм ШИМ постепенно снижает ток нагрузки, чтобы предотвратить наг­рев, вздутие и закипание батарей. В результате к.п.д. поднимается и быстро ак­ку­му­лятор полностью заряжается. Благодаря ШИМ-контроллерам эффек­тив­ность зарядки аккумулятора поддерживается на высоком уровне по срав­не­нию с дру­ги­ми контроллерами. Tакже возможно увеличение примерно на 2-8%.

Аккумулятор. Аккумулятор используется для сбора электроэнергии посред­ством повторяющихся химических процессов. Химические реакции, проте­каю­щие внутри аккумулятора, являются обратимым процессом, и можно про­во­дить циклы зарядки и разрядки. Аккумуляторы соединяются в виде моноблоков и называются аккумуляторными батареями.

Основным пара­мет­ром, характеризующим батарею, является емкость. Емкость — это макси­маль­ный электрический заряд, который может принять акку­мулятор. Зарядка акку­мул­ятора происходит в несколько этапов. В большинстве случаев они состоят из 4 стадий: стадии накопления заряда, стадии поглощения, стадии накопления и стадии выравнивания. Фаза выравнивания выполняется только на батареях открытого типа, по определенному графику. В результате таких мер, если провести правильную адаптацию, можно увеличить срок службы акку­мул­ятора. Основная причина выхода из строя аккумулятора – суль­фи­ти­за­ция плас­тин. Оснащенная специальной системой слежения, панель получает сол­неч­ное излучение и размещается на вращающейся платформе вслед за солнцем. Для оптимальной работы фотогальванического устройства плоскость панели должна располагаться перпендикулярно солнцу. По расчетам на­личие системы слежения позволяет увеличить годовое производство энергии на 40% по срав­не­нию со стационарным стационарным фотоэлектрическим модулем.

Фотоэлектрические устройства производят электричество только при наличии солнечного света в светлое время суток. В основном для ус­тра­не­ния этой проб­лемы аккумуляторы размещают на выходной части панели. Поэтому он не только снабжает своих потребителей энергией в течение дня, но и заряжает аккумулятор [5]. Потеря энергии происходит за счет накопления энергии в аккумуляторе. В основном КПД обычных автомобильных акку­мул­я­торов составляет около 75%. Эти батареи, которые мы упомянули, пред­наз­начены для передачи большого тока за короткое время, и поэтому они выходят из строя в кратчайшие сроки, поскольку процесс зарядки-разрядки в солнеч­ных системах непрерывен. Снизить количество потерь от специальных сол­неч­ных батарей, которые в нас­тоя­щее время имеют более высокие характеристики.

Энергоемкость является одним из основных параметров акку­муля­тора и характеризует способность запасать собранную энергию в течение определенного периода времени. Аккумулятор 12 В с энергоемкостью 100 А·ч запасает энер­гию в количестве 1200 Вт·ч. Согласно правилам, энерго­емкость акку­му­ля­тора зависит от непрерывности процесса заряда-разряда. Несколько батарей, соединенных параллельно, чаще используются в больших фотоэлектрических системах. С целью увеличения времени работы аккумулятора схема в основном предполагает использование контроллера, предо­храняющего акку­мулятор от глубокого заряда и разряда. То есть при полной зарядке аккумуля­тора контрол­лер снижает значение зарядного тока, или наоборот, при разряде аккумулятора до критического состояния контроллер прекращает подачу питания на ус­трой­ства. Напряжение 12 В постоянного тока, подаваемое сол­неч­ным модулем, мож­но использовать для зарядки некоторых бытовых приборов. Однако для боль­шин­ства электроприборов (вентиляторы, холо­диль­ники, телевизоры и т. д.) тре­буется напряжение 220 В переменного тока. Поэтому между аккумулятором и исполнительными меха­низ­мами подключается инвертор. Основное назначение этого инвертора — преобразование пос­тоянного тока низкого напряжения в но­ми­нальный переменный ток. В этом случае на исполнительные механизмы мо­жет передаваться мощность, не пре­вы­шающая мощность инвертора. В основном мощность инверторов находится в пределах 250 Вт – 8 кВт. В электроснабжении схема в основном преду­смат­ривает резервный источник энергии. Это делается для обеспечения его надеж­ности. В качестве этого источника тока можно исполь­зовать небольшой  дизель-генератор мощностью 2-6 кВт.

Oглянувшись вокруг, мы можем увидеть солнечные панели, направ­ленные в разные стороны под разными углами наклона. Солнце находится в разных поло­жениях в разное время года. В течение дня его местоположение также постоян­но меняется. Поэтому необходимо произвести оптимальный расчет угла изгиба. Солнечная панель, расположенная под оптимальным углом наклона, позволяет максимально использовать солнце в течение дня. Угол наклона солнечной панели зависит от местоположения и времени года. Но это покажет расчеты для стационарной солнечной панели, которую можно использовать круглый год. То есть после настройки пропускания солнечной панели ее можно использовать круглый год, не трогая систему.

В зимние месяцы, если на участке идет снег, панель следует защищать от снега, тогда можно предотвратить накопление снега.

Инвертор (DC/ACconverter) — это устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный с определенной частотой. Это устройство представляет собой генератор, вырабатывающий сигнал, близкий к синусоиде или в дискретной форме. Это один из основных элементов солнечной электростанции. Инверторы напряжения могут исполь­зо­ваться как самостоятельные ус­тройства или входить в состав источников бесперебойного питания и систем обо­ру­до­вания, оснащенных альтернативной электрической энергией.

Технические способы применения инверторов и особенности их эксплуатации.

- Переключатели инвертора должны быть управляемыми (включены и выклю­чены), а также иметь двустороннюю характеристику проводимости. Как пра­вило, такие переключатели получаются путем шунтирования транзисторов встречными диодами.

- Регулировка выходного напряжения инверторов достигается изменением площади ширины импульса. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигна­лов является самым простым методом.

Нарушение симметрии полуволн выходной полосы вызывает отклонения от заданного значения частоты.

- Для получения управляемых режимов работы инвертора инвертор и основной алгоритм управления должны обеспечивать последовательное изменение структур прямого, короткозамкнутого и обратного силового цикла.

Существует множество схем построения инвертора. Раньше инверторы были механическими, но благодаря развитию технологий их заменили схемы, состоящие из полупроводниковых инверторов. Как правило, используются три основные схемы:

Бестрансформаторный мостовой инвертор. Такие инверторы обычно ис­пользуются в качестве источников бесперебойного питания (от 220 до 360 В) приводов 500 В∙А или высоковольтных устройств.

Инвертор с нулевым выходным трансформатором. Область применения включает устройства с напряжением от 250 до 500 В, в том числе ком­пьютеры, а также низковольтные (12-24 В), используемые в качестве преобразователей напряжения для систем мобильной связи.

Мостовой инвертор с трансформатором. С инвертором, способным работать в широком диапазоне мощностей (от 1 до 10 кВА), используемым в беспе­ребойном питании операторов (рис. 2).

Принципы работы инверторов:

- Инверторы с прямоугольным выходным напряжением. Преобразование постоянного напряжения первого источника в переменное достигается с помощью группы переключателей.

- Понижающие инверторы выходного напряжения. Работа таких инверторов заключается в том, что изначально получается постоянное напряжение, амплитуда которого близка к амплитуде синусоидального выходного напряжения. Затем с помощью мостового инвертора униполярная кривая ступенчатого напря­жения преобразуется в многополярную.

Рисунок 2. Мостовой инвертор с трансформатором

- Инверторы с синусоидальным выходным напряжением. Принцип работы такого преобразователя заключается в том, что с помощью высокочастотного преоб­­разования получают постоянное напряжение, близкое к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения преобразователя тока. Затем с помощью мостового преобразователя это постоянное напряжение преобразуется в переменное в форме, близкой к синусоидальной. Это связано с применением соответствующих принципов управления транзисторами мостового инвертора (так называемые принципы «поперечной импульсной модул­яции напряжения»). Пары транзисторов, соответствующие каждому полупериоду напряжения, переключаются с высокой частотой. Длительность этих высокочастотных коммутационных импульсов изменяется по си­нусои­дальному закону. Затем при использовании высокочастотного фильтра с низ­ким переходом получается синусоидальный компонент выходного напря­же­ния инвертора [6].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным вопросом в представленной статье является иссле­до­ва­ние рабочего процесса солнечных панелей и аккумуляторов с целью по­вы­шения эффективности солнечных элементов. Контроль заряда ак­ку­муляторов, управление солнечными панелями в зависимости от времени суток, оптимизация сбора энергии в солнечные панели через систему сле­жения, регулировка положения солнечных панелей в соответствии с точ­ным вертикальным падением солнечных лучей на модули было рассмотрено.

Список литературы:

1. Н.М.Пириева, С.А. Ханахмедова, Н.Н.Маммадли Увеличение эффективности солнечной электростанции. Журнал. Проблемы энергетики Азер­байд­жана  № 3, Баку, 2021  стр 46-54
2. Солнечный контроллер eco "Энергия" Контроллер MPPT Pro. [Электронный ресурс] : / Компания МикроАРТ. – Москва, 2013, 2017.  http://www.invertor.ru/zzz/item/eco_mppt_pro_200_100 30.
3. Инвертор для солнечных батарей. [Электронный ресурс] /SolarSoul.net// – 2017. – Режим доступа: http://solarsoul.net/invertor-dlyasolnechnyx-batarej 
4. Охоткин, Г. П. Методика расчета мощности солнечных электростанций / Г. П. Охоткин. // Вестник Чувашского университета. – Чебоксары, 2013, № 3. – 230 с.
5. Солнечная энергетика [Электронный ресурс] : / Википедия – свободная энциклопедия – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная энергетика
6. Проекты гибридных ветро-солнечных станций [Электронный ресурс]: / ООО «Солнечная энергия+». – Горно-Алтайск, 2017. – Режим доступа: http://solar04.ru/project/