Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.5. Разработка технических рекомендаций к проектируемой установке
Для предложенной в п. 2.3 для региона г. Ростова-на-Дону комбинированной энергоустановки технические требования могут быть сформулированы следующим образом [2.2, 2.3]:
1. Обеспечение стабильного снабжения электроэнергией базовой станции сотовой связи в течение года. При этом генерируемая суммарная мощность должна быть не менее 5 кВт, напряжение должно быть однофазным номиналом 220 В и иметь частоту 50 Гц.
2. Установка должна обеспечивать баланс между потребляемой и генерируемой энергией.
Одним из вариантов выполнения генератора, удовлетворяющего перечисленным выше требованиям, может быть ветрогенератор с вертикальной осью. Преимуществами данной конструкции являются [2.15]:
– пониженная начальная скорость вращения (от 1,3 м/с);
– отсутствие вибраций в грунте;
– отсутствие необходимости установки высоких мачт;
– экологичность (уровень шума не превышает 35 дБ);
– отсутствие необходимости ориентации на ветер;
– использование энергии не только горизонтальных, но и восходящих потоков ветра.
На основе указанных технических требований разработана структурная схема комбинированной солнечно-ветровой энергоустановки, представленная на рис. 2.9 [2.2, 2.3].
Рис. 2.9. Структурная электрическая схема комбинированной солнечно-ветровой энергетической установки
Схема содержит два канала преобразования энергии: ветра и солнца. В канале преобразования ветровой энергии энергия ветра преобразуется в электрическую энергию с нестабилизированными параметрами. Далее она подается на зарядное устройство (ЗУ), которое преобразует и стабилизирует переменной напряжение в постоянное. Затем напряжение поступает на контроллер заряда 2 (КЗ 2), а с него на аккумуляторные батареи (АБ). В канале преобразования солнечной энергии электрическая энергия поступает с солнечных батарей (СБ) на контроллер заряда 1 (КЗ 1) и на аккумуляторные батареи. Силовой канал включает в себя инвертор (И), который преобразует постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В 50 Гц. Далее энергия поступает на нагрузку (Н).
Для управления режимами работы установка имеет датчик ветра (ДВ), датчик температуры (ДТ), датчик солнечной радиации (ДСР) и датчик потребляемой мощности (ДПМ), которые соединены с системой управления (СУ). Так же имеются устройство сигнализации (УС), регулятор балласта (РБ) и балластная нагрузка (БН).
С целью повышения эффективности КСВЭУ в основу принципа её действия во всех режимах положен принцип обеспечения баланса мощностей между источниками и приемниками [2.2, 2.3]: суммарная мощность, вырабатываемая источниками энергии должна быть равна суммарной мощности, потребляемой приёмниками с учётом возможных потерь. На основе этого принципа организовано адаптивное управление режимами работы КСВЭУ.
Рассмотрим принцип работы КСВЭУ в следующих режимах:
– режим работы только от солнечных батарей;
– режим работы только от ветрогенератора;
– режим работы от солнечных батарей и ветрогенератора;
– режим работы при пиковых нагрузках;
– режим работы при избытке энергии от источников.
В режиме работы только от солнечных батарей система управления получает данные от датчиков ДВ, ДТ, ДСР, производит анализ и определяет объём вырабатываемой мощности ветрогенератором и солнечными батареями. При работе комбинированной установки от солнечных панелей система управления анализирует потребляемую нагрузкой мощность с помощью ДПМ, анализирует мощность, которая поступает с солнечных панелей и уровень заряда аккумуляторных батарей. Контролеры заряда-разряда регулируют процесс заряда-разряда АБ и информацию отправляют в СУ. При заряженных АБ и мощности потребления на нагрузке меньше мощности отдаваемой солнечными панелями, энергия поступает от солнечных батарей через КЗ1 напрямую в инвертор. Если мощность, потребляемая нагрузкой, становится больше мощности, поступающей от солнечных батарей, СУ формирует сигнал для подключения ветрогенератора к нагрузке. Суммарная энергия поступает в АБ и далее через инвертор и в нагрузку. При работе только от солнечных батарей ветродвигатель блокируется с помощью устройства блокировки, что позволяет сберечь его ресурс и увеличить срок эксплуатации.
Режим работы только от ветрогенератора возможен в вечернее и ночное время. СУ анализирует мощность потребления от нагрузки, мощность, выдаваемую ветрогенератором и данные с КЗ 2. Если АБ разряжены, то энергия с КЗ 2 поступает на АБ и заряжает их. С АБ напряжение подается на инвертор и на нагрузку. Если же мощность ветрогенератора больше мощности потребления нагрузкой, то по команде от СУ регулятор балласта излишек энергии перераспределяет на балластную нагрузку. При штормовом ветре для обеспечения сохранности ветроустановки СУ подает сигал управления на устройство блокировки (УБ), которое блокирует вращение ВД, что сохраняет его ресурс. При этом электропитание осуществляется от СБ или АБ.
Режим работы от СБ и ветрогенератора необходимо в случае, когда один из источников не может обеспечить столько энергии, сколько требуется для нагрузки, СУ формирует сигнал для подключения второго источника энергии к нагрузке. При работе ветрогенератора и солнечных батарей одновременно сначала заряжаются АБ, энергия идет от АБ на инвертор, дальше в нагрузку. После полной зарядки АБ, энергия от двух источников энергии поступает на инвертор. Если же мощность, потребляемая нагрузкой, меньше мощности поступающей от двух энергоустановок, то СУ лишнюю энергию отправляет на БН.
При режиме работы при пиковых нагрузках энергия вырабатывается двумя источниками (ветрогенератором и солнечных батарей). При этом электроэнергия подается на АБ и далее через инвертор в нагрузку. В момент пиковой нагрузки, которая определяется ДПН, СУ формирует сигнал на устройство сигнализации. Это устройство информирует оператора (в звуковой, световой форме или в форме SMS-сообщения) о том, что идет разряд АБ и что необходимо отключит некоторые второстепенные приемники энергии.
Режим работы при избытке энергии от источников применяется в случае, если энергия, вырабатываемая двумя источниками, намного превышает потребности нагрузки. СУ вырабатывает команду отключения источника энергии, который вырабатывает наименьшую её часть. Такая команда формируется в СУ на основе обработки информации, поступающей с датчиков ДПМ, ДВ, ДТ, ДСР. В том случае если энергия, вырабатываемая оставшимся источником энергии, превышает потребляемую энергию, СУ формирует сигнал на сброс излишков энергии в БН.
Выбор режимов работы осуществляется автоматически с помощью алгоритма управления, заложенного в программу управляющего микроконтроллера системы управления, на основе информации, получаемой с датчиков.
Таким образом, предложенная структурная схема комбинированной солнечно-ветровой энергетической установки позволяет при изменяющихся погодных условиях:
– гарантировано получать стабильное электроснабжение за счет реализации адаптивного управления режимами работы каналов преобразования ветровой и солнечной энергии;
– обеспечивать баланс мощностей между источниками и приемниками.
Следовательно, можно сказать, что структурная схема удовлетворяет сформулированным требованиям к проектируемой комбинированной установке.