Зеленая энергия — энергия, которую получают из возобновляемых источников. Возобновляемые энергетические ресурсы получают из природных источников — ветер, солнечный свет, приливы, дождь, геотермальная энергия. Эти источники возобновляемы, так как они пополняются естественным путем [1].
В последние годы Казахстан активно развивает «зеленую» промышленную энергетику — сегодня около 50 станций солнечных, ветровых, мини-ГЭС дают около 300 Мегаватт электроэнергии. В Павлодаре на территории ИНЕУ и ПГУ также установлены гибридные солнечно ветровые электростанции, далее СВЭС.Такой источник энергии является безопасным для окружающей среды и может обеспечить электричеством предприятия крупного и среднего масштаба [2].
Алгоритмы управления их работой, которые на данный момент используются в серийно выпускаемых контроллерах солнечных батарей и ветрогенераторов СВЭС, в основном подходят для предприятий, которые находятся в отдаленном от города месте, к примеру в степи или пустыне — там, где нет централизованного электроснабжения.
Такие алгоритмы не подходят для станций в населенных пунктах, где есть городская электросеть и множество электропотребителей, на которые можно направить энергию. Большинство контроллеров позволяют использовать природную энергию только до момента полного заряда аккумуляторной батареи. Но когда поток энергии слишком велик (вследствие оптимального угла падения солнечных лучей или ясного неба; сильного ветра) и батарея заряжена до предела, станция прекращает свою работу, и контроллер отключает ток солнечной батареи от аккумуляторной. Формально это логично — таким образом аккумулятор не перезарядится, батарея не закипит. Но если оценить это с точки зрения здравого смысла, то это абсолютно нелогично, т. к. появляется парадокс, когда даровой энергии много, автоматика отключает выработку тока! [3]
Новизна проекта заключается в том, что работа направлена на увеличение эффективности существующей системы за счёт направления излишков энергии на нужды постоянно включенных потребителей электротока, которые есть на любом среднем по величине предприятии.
Исследование будет полезно, ведь оно предлагает способ улучшения существующих принципов работы СВЭС для повышения их энергоэффективности.
Целью работыявляетсяповышение эффективности работы СВЭС за счёт более полного использования энергии природных возобновляемых источников.
К задачам исследования можно отнести пункты, обозначенные ниже:
– изучить принципы работы современных установок малой мощности;
– сформулировать основные изменения алгоритмов управления работой электростанций,
– разработать структурную схему энергоустановки повышенной эффективности;
– сконструировать устройство, написать для него программу;
– смоделировать гибридную электростанцию и продемонстрировать её принцип работы [4].
Гипотеза может быть сформулирована следующим образом:Если не останавливать работу станции после полного заряда аккумуляторов при избытке природной энергии, а направлять ее на постоянно включенные электропотребители, которые имеются на каждом среднем, а тем более на крупном предприятии, то можно значительно повысить степень использования даровой природной энергии и энергоэффективность СВЭС.
Как объект исследования была выбранасолнечно-ветровая электростанция.
Методами исследования являются:
– Исследование литературы по данной тематике. Анализ, синтез и обобщение полученной информации.
– Общее наблюдение за работой СВЭС на базе ПГУ.
Мы предлагаем при большом количестве электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором и солнечными батареями, отправлять эту избыточную энергию на электропитание постоянно включенных потребителей. Данный метод актуален для каких-либо средних по величине предприятий, у которых, в отличие от городских квартир или домов на колесах, такие потребители всегда имеются, и потребность в энергии есть всегда.
Можно долго рассуждать на тему того, что нам не нужна электроэнергия для освещения помещения днём, отопления дома и нагрева воды, ведь сейчас всё это централизованно. Но рассуждая таким образом и пренебрегая даровой природной энергией, мы будем постоянно переплачивать за электроэнергию горэлектросетям.
Еще одной причиной, побудившей нас построить своё реле управления нагрузками, явилась невозможность изменения заводских уставок работы инвертора. Когда батарея разряжена, инвертор автоматически отключает нагрузку, но если аккумулятор зарядится хоть немного, инвертор снова включает нагрузку. Данный принцип подходит для домов на колёсах или степных СВЭС, где электронагрузки можно включать и выключать вручную), но при использовании этого инвертора на предприятиях с постоянно включенными нагрузками и при больших токах, потребляемых ими (например, 50–100 А на стороне аккумулятора), на внутреннем сопротивлении аккумулятора происходит заметное падение напряжения [5].
Вследствие этого напряжение на выходе аккумулятора оказывается ниже, чем порог выключения, заложенный программно в автоматику инвертора. Естественно, он выключается, и упомянутое падение напряжения становится равным нулю, напряжение на аккумуляторе после отключения нагрузок увеличивается. Автоматика инвертора, измеряя напряжение на аккумуляторе в этот момент, считает, что аккумуляторная батарея уже заряжена и включает нагрузки. Инвертор снова включается, то есть происходит постоянное мерцающее срабатывание силового ключа, включающего нагрузку. И, как результат, выход его из строя. То есть инвертор работает неправильно в наших условиях эксплуатации.
В связи с этим нужно менять стратегию работы. Естественно, нужно увеличить разность между напряжением включения и выключения полезной нагрузки. В автоматику нужно вводить гистерезис (в переводе с греческого — «отставание»). Поэтому в дополнение к существующей автоматике инвертора нужно вводить свою, поскольку завод-изготовитель не может предвидеть, от какого по величине падения напряжения под нагрузкой нужно отстраиваться у конкретного потребителя. В идеальном случае автоматика должна реагировать на степень заряженности батареи. Она должна измерять ток, находить произведение тока на время и получать значение текущего заряда АБ. Но дело в том что измерение тока в сотни ампер требует установки нескольких шунтов или полупроводниковых датчиков постоянного тока отдельно для солнечных батарей и ветрогенераторов. Это требует больших затрат на установку и монтаж всей этой аппаратуры [6].
Поэтому в первое время можно ограничиться установкой контроллера, реагирующего на величину напряжения АБ и ввести регулируемый гистерезис нагрузки. Для отстройки от ухудшения параметров АБ при её старении нагрузку следует включать при уровне напряжения 90–95 % от максимально допустимого. Порог выключения зависит от типа примененных аккумуляторов (свинцовые кислотные, свинцовые гелевые, или литий-железо-полимерные). Если мы хотим использовать полученную энергию максимально долго, стоит выбрать нижний порог по напряжению соответствующим минимально допустимому заводом-изготовителем АБ. А если мы хотим продлить срок службы АБ и сохранить её ресурс, то не стоит допускать ее разряд ниже 30–70 %.
Вывод: заводской автоматики инвертора недостаточно для обеспечения оптимального функционирования СВЭС, и нужно строить свой контроллер управления нагрузками. В настоящем проекте такой контроллер нами был реализован в упрощенном виде, как реле управления нагрузками в зависимости от величины напряжения (а не от степени заряда) АБ.
Вернёмся к первой проблеме, когда энергии много, аккумулятор заряжен и её некуда девать. Предлагаемое нами решение следующее: незадолго до достижения максимальной заряженности АБ, направлять эту избыточную энергию дополнительным контроллером на нужды нагрузок. Избыточную энергию нужно будет измерять косвенно по напряжению аккумулятора, предварительно сняв зарядную и разрядную кривые — а именно, зависимости напряжения на аккумуляторе от накопленного (или оставшегося) в нем заряда. Чем больше избыточной энергии, тем больше можно будет включить нагрузок. А точнее, переключить с питания от городской электросети на питание от инвертора.
Для того, чтобы приступить к изготовлению нашего автомата управления нагрузками, вначале следовало выбрать элементную базу для него. Если в прошлом веке автоматы строились не только на электрическом, но и на пневматическом, и на гидравлическом принципах, то с изобретением микроконтроллеров для построения автоматических устройств они оказались вне конкуренции.
Для написания кода программы мы использовали среду программирования высокого уровня — BASCOM AVR.
Все современные МК способны выполнять математические вычисления и логические операции и осуществлять ввод-вывод информационных сигналов при низком потреблении энергии, эргономичном использовании памяти [7].
После анализа возможностей семейств МК для построения нашего реле управления нагрузками мы выбрали микроконтроллеры фирмы Atmel.В расчёт принимались в первую очередь быстродействие, объем программной и оперативной памяти, энергопотребление, количество портов ввода-вывода, а также наличие встроенного АЦП.
У микроконтроллеров AVR неплохое сопротивление негативному влиянию электромагнитных волн, вызывающих помехи, этот контроллер довольно распространен среди разработчиков и радиолюбителей, в свободном доступе имеется очень много ознакомительной литературы и обсуждений на форумах. Также немаловажным фактором в пользу его применения явилось наличие встроенного АЦП [8].
Устройство реле управления нагрузками
Рис. 1. Структурная схема реле управления нагрузками
Сокращения:
STU — стабилизатор напряжения
АЦП — аналогово цифровой преобразователь
МК — микроконтроллер
УСТ — управляемый стабилизатор тока
УУИ — устройство управления индикацией
Принцип работы:
Наше реле должно обслуживать аккумулятор, который заряжается энергией солнца и ветра. Для того, чтобы реле переключалось между нагрузками и знало какие именно действия нужно предпринять в данный момент, АЦП будет постоянно мерить напряжение на аккумуляторе. Данные, которые будет получать АЦП должны будут обрабатываться самим микроконтроллером. Один из портов микроконтроллера будет выполнять роль аналогового ввода остальные будут управлять нагрузками.
Самую главную роль будет выполнять микроконтроллер, на который будет заложена сама программа, он будет управлять нагрузками не напрямую, а через усилители тока.
Во-первых, мы узнали о том, что современный метод построения СВЭС является экономически неэффективным, он не использует энергию полностью и в основном предназначен только для малых предприятий. Работа СВЭС во время жаркого или ветреного дня после полного заряда аккумулятора останавливается. То есть энергии много, а мы её не используем. Для того, чтобы решить эту проблему нужно построить собственное реле с четырехступенчатыми уровнями нагрузки.
Во-вторых, для того чтобы предотвратить постоянное хлопанье инвертора, которое возникает из-за слишком малой разницы между напряжением включения и выключения. В систему нужно ввести гистерезис.
В-третьих, мы смогли воплотить наши две идеи в реле управления нагрузками, представляющий собой уменьшенную копию устройства, которое может применяться более крупном масштабе на средних предприятиях.
В-четвертых, мы разобрались в общих алгоритмах работы СВЭС, которые применяются на данный момент. Также ознакомились с терминологией, связанной с микроконтроллерами. Выбрали наиболее подходящий под наши цели.
В-пятых, результатом нашей работы является работающее устройство, которое вмонтировано на модель учебного заведения и смогли представить в виде плат с диодами сами полезные нагрузки. Эти диоды выполняют роль индикаторов, которые показывает текущий способ питания.
Наше исследование может играть ключевую роль в развитии зеленой электроэнергетики Казахстана, так как оно исследует методы улучшения алгоритма работы СВЭС на средних и крупных предприятиях. Оно затрагивает методы увеличения экономической эффективно, наиболее полного использования энергии, а также решает проблемы с хлопаньем инвертора, которое возникало из-за отсутствия гистерезиса. Результаты данного проекта также могут использовать другими исследователями, которые захотят углубиться в эту тематику.
Литература:
- Евсеев Ф. А. Физический принцип работы солнечных батарей. — Югорский государственный университет Ханты-Мансийск, Россия
- Кашкаров А. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. — Litres, 2017.
- Яланський О. А. Микроконтроллеры MCS-51: краткий обзор, анализ рынка и перспективы. — 2012
- Кривченко И., Рыжаков А. Перспективные микроконтроллеры AVR компании Atmel
- Винников А. В., Денисенко Е. А., Долбенко Д. В. К вопросу выбора солнечной фотоэлектрической станции //Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. — 2015. — №. 108.
- Чивенков А. И. и др. Расширение функциональных возможностей инвертора напряжения систем интеграции возобновляемых источников энергии и промышленной сети //Инженерный вестник Дона. — 2013. — Т. 24. — №. 1 (24).
- Гуревич В. Микропроцессорные реле защиты: устройство, проблемы, перспективы. — Litres, 2017.
- Шахнович И. СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП АРХИТЕКТУРА, ПРИНЦИПЫ, КОМПОНЕНТЫ //Электроника: Наука, технология, бизнес. — 2006. — №. 4. — С. 18–22.
