RENEWABLE ENERGY
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
СОЛНЕЧНЫЕ ГОРОДА
SOLAR CITIES
Статья поступила в редакцию 03.06.15. Ред. рег. № 2268 The article has entered in publishing office 03.06.15. Ed. reg. No. 2268
УДК 621.311.6 doi: 1Q.15518/isjaee.2Q15.Q8-Q9.QQ1
АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ШАГОВЫМ РЕГУЛЯТОРОМ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, А.В. Осипов, М.М. Черная
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050 Томск, пр. Ленина, д. 40 Тел.: 8(3822) 900-162, e-mail: ottoai@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 06.06.15 Заключение совета экспертов: 09.06.15 Принято к публикации: 12.06.15
Описана научно-исследовательская автономная энергетическая установка с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей. Показано, что экстремальный шаговый регулятор, входящий в состав контроллера заряда аккумуляторной батареи, позволяет производить отбор мощности солнечной батареи свыше 98% от максимального значения при пошаговом изменении напряжения солнечной батареи, не превышающем 2 В. Система автоматического слежения солнечных батарей за Солнцем потребляет не более 1% от суточного значения выработанной энергии.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, фотоэлектрические преобразователи, солнечная батарея, аккумуляторная батарея, автономная система электроснабжения, экстремальное регулирование мощности, оптимизация структуры.
OPTIMIZING PEAK-HOLDING CONTROLLER SOLAR BATTERY AUTONOMOUS ENERGY INSTALLATION
Yu.A. Shinyakov, A.I. Otto, A.V. Osipov, M.M. Chernaya
Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics 40 Lenin str., Tomsk, 634050, Russia Tel.: 8(3822) 900-162, e-mail: ottoai@mail.ru
Referred: 06.06.15 Expertise: 09.06.15 Accepted: 12.06.15
There is research autonomic power plant with extreme regulation of power solar panels. It is shown that the extreme jog lever, which is part of the controller battery charge, allows the selection of solar battery power more than 98% of the maximum value at step changes in the voltage of the solar battery does not exceed 2 V. The system of the automatic solar tracking the sun uses less than 1% of the daily value of energy produced.
Keywords: energy efficiency, photovoltaic cells, solar panel, battery, autonomous power supply system, extreme power control, optimization of the structure.
Юрий Александрович Шиняков Yurii A. Shinyakov
Сведения об авторе: директор НИИ космических технологий ТУСУР.
Образование: Национальный исследовательский Томский политехнический университет (1972).
Область научных интересов: автономные энергетические комплексы, экстремальное регулирование мощности, силовая электроника, системы электропитания космических аппаратов.
Публикации: 53, из них 32 - ВАК.
Information about the author: Director of the Scientific Research Institute of Space Technology of the Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics.
Education: Tomsk Polytechnic University (1972).
Research area: autonomous power complexes, extreme power control, power electronics, power supply systems of space crafts, mathematic simulation and simulation modeling.
Publications: 53.
Артур Исаакович Отто Artur I. Otto
Сведения об авторе: младший научный сотрудник НИИ космических технологий ТУСУР. Образование: Томский гос. университет систем управления и радиоэлектроники (2012). Область автономные энергетические комплексы, экстремальное регулирование мощности, силовая электроника, системы электропитания космических аппаратов. Публикации: 8, из них 3 - ВАК.
Information about the author: Junior researcher of the Scientific Research Institute of Space Technology of the Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics. Education: Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics (2012). Research area: autonomous power complexes, extreme power control, power electronics, power supply systems of space crafts, mathematic simulation and simulation modeling. Publications: 8.
Александр Владимирович Осипов Alexander V. Osipov
Сведения об авторе: старший научный сотрудник НИИ космических технологий ТУСУР. Образование: Томский гос. университет систем управления и радиоэлектроники (1999). Область научных интересов: силовая электроника, системы электропитания космических аппаратов, математическое моделирование, компьютерное моделирование. Публикации: 49, из них 27 - ВАК.
Information about the author: Senior researcher of the Scientific Research Institute of Space Technology of the Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics. Education: Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics (1999). Research area: power electronics, power supply systems of space crafts, mathematic simulation and simulation modeling. Publications: 49.
ä
Мария Михайловна
Черная Mariya M. Chernaya
Сведения об авторе: младший научный сотрудник НИИ космических технологий ТУСУР. Образование: Томский гос. университет систем управления и радиоэлектроники (2012). Область научных интересов: силовая электроника, системы электропитания космических аппаратов, математическое моделирование, компьютерное моделирование. Публикации: 9, из них 3 - ВАК.
Information about the author: Junior researcher of the Scientific Research Institute of Space Technology of the Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics. Education: Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics (2012). Research area: power electronics, power supply systems of space crafts, mathematic simulation and simulation modeling. Publications: 9.
Наиболее действенным способом повышения энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок является реализация режима непрерывного регулирования мощности солнечной батареи (СБ) в оптимальной рабочей точке, который предполагает введение в состав аппаратуры экстремального регулятора (ЭР), действие которого должно быть направлено на поиск оптимального напряжения СБ и подачу на энерго-преобразующее устройство (ЭПУ) такого задающего воздействия, при котором напряжение СБ регулируется на уровне, близком к экстремальному значению [1]. Чаще всего для поиска экстремума применяются шаговый метод и метод производной, относящиеся к методам «восхождения». При этом наиболее оптимальным (простым, рациональным) способом является шаговый метод поиска экстремума мощности СБ, так как метод производной при быстро изменяющихся атмосферных условиях может работать хаотично, что приводит к затратам аппаратных ресурсов и вследствие этого к потере мощности, получаемой от СБ. Также шаговый метод уменьшает время вычислений из-за более простого алгоритма, что приводит к увеличению частоты дискретизации [2, 3].
Согласование экстремального шагового регулятора (ЭШР) с энергопреобразующим устройством, осуществляющим передачу энергии от СБ в аккумуляторную батарею и нагрузку, реализуется достаточно просто путем дискретной перестройки цепи обратной связи в канале стабилизации напряжения СБ [1].
Наиболее распространенная структурно-функциональная схема автономных фотоэлектрических энергетических установок с реализацией режима экстремального регулирования мощности СБ приведена на рис. 1, где обозначено: СБ - солнечная батарея; АБ - аккумуляторная батарея; И - инвертор; ДН1 и ДН2 - датчики напряжения; ДТ - датчик тока; ЭПУ - энергопреобразующее устройство; ЭШР -экстремальный шаговый регулятор.
Рис. 1. Структурно-функциональная схема энергетической установки с ЭШР Fig. 1. Structural and functional diagram of a power plant with extreme step control
По приведенной схеме (рис. 1) в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники разработана, изготовлена и испытана научно-исследовательская автономная фотоэлектрическая энергетическая установка АФЭУ-0,5,
состоящая из электромеханической части; контроллера заряда АБ с экстремальным шаговым регулятором мощности СБ; двух СБ - КСМ-160; двух АБ -ТиБОКТ12У155РТ; контроллера наведения фотоэлектрических панелей на Солнце на базе микроконтроллера Atmega16; драйверов управления шаговыми двигателями (БМ356М); инвертора Т8 1500-224.
Фотография электромеханической части энергетической установки приведена на рис. 2. Установка состоит из рамы с двумя фотоэлектрическими модулями КСМ-160; подвижного металлического каркаса; неподвижного металлического каркаса; редуктора поворота по углу места; редуктора поворота по азимуту; двух шаговых двигателей типа ШД-5Д; двух датчиков положения Солнца.
Рис. 2. Электромеханическая часть энергетической установки АФЭУ-0,5 с двумя фотоэлектрическими панелями КСМ-160 Fig. 2. Electromechanical part of the power plant with two photovoltaic panels
Неподвижный каркас установки состоит из стальной сварной рамы, состоящей из профильных трубчатых элементов с четырьмя угловыми опорами и одной центральной опоры, в которой установлен вращающийся вал. Вращение вала обеспечивается за счет шагового двигателя через червячный редуктор и цилиндрическую зубчатую передачу. Подвижный каркас установки состоит из стальной сварной рамы с закрепленной на ней ведомой шестерней, которая связана с центральным валом нижнего опорного узла шпоночным соединением для обеспечения вращения установки вокруг вертикальной оси. На этом же каркасе закреплены две дуги, на которых установлена ось вращения рамы, которая через муфту и редуктор соединена с шаговым двигателем, обеспечивающим поворот рамы по углу места. В качестве силовых механизмов, обеспечивающих поворот фотоэлектрической установки, используются червячные редукторы, которые позволяют исключить самопроизвольное изменение положения установки под действием ветровой нагрузки. Затраты на слежение установки за Солнцем - не более 1% от суточного значения выработанной энергии.
При проектировании автономных фотоэлектрических энергетических установок с ЭШР с целью прогнозирования их энергетической эффективности необходимо знать зависимость точности регулирования экстремума от шагового изменения напряжения стабил
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.