CC BY
27
УДК 629.341
АНАЛ1З СХЕМ СОНЯЧНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦ1Й НА ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛЯХ ДЛЯ ЗАРЯДНИХ СТАНЦ1Й ЕЛЕКТРОМОБ1Л1В
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотаця. Проведено анал1з ¡снуючих схем будови сонячних електростанцт на фотоелектри-чних модулях. Розкрито гх принцип роботи. Розглянуто техтчт характеристики кожног з поданих схем. Запропоновано схему будови сонячног зарядног станцИ для електромобмв. Описано гг функциональна можливост1 та особливост1 роботи.
Ключов1 слова: енергозбережш технологи, сонячна електростанщя, зарядна електростанщя.
АНАЛИЗ СХЕМ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ ДЛЯ ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЙ
ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведен анализ существующих схем построения солнечных электростанций на фотоэлектрических модулях. Раскрыт их принцип работы. Рассмотрены технические характеристики каждой из представленных схем. Предложена схема построения солнечной зарядной станции для электромобилей. Описаны ее функциональные возможности и особенности работы.
Ключевые слова: энергосберегающие технологии, солнечная электростанция, зарядная электростанция.
ANALYSIS OF SOLAR POWER STATION SCHEMES ON PHOTOELECTRIC MODULES FOR ELECTRIC CARS CHARGING STATIONS
A. Hnatov, DSc., Prof., Shch. Arhun, PhD., Assoc. Prof., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The analysis of existing schemes for building solar power stations on photoelectric modules with the revealing of their operation principles and functionality has been conducted. The specified technical characteristics of each of the analyzed schemes are given. The structural scheme of the solar charging station for electric cars with determining its functional capabilities and operation features is proposed. The practical application of this scheme will help to reduce the dependence on the general electric power supply network and will create conditions for its total rejection.
Key words: energy-saving technologies, solar power station, charging power station.
Вступ
Отримання електроенерги вщ сонця вже давно не е диковинкою. Цей альтернативний, еколопчний спошб генерацп енерги з кож-ним днем все актившше використовуеться як в Украш, так i у всьому свт. Тому сьогодш
головним завданням науковщв е вдоскона-лення юнуючих технологш i обладнання з метою збшьшення ККД i зменшення вартост для масштабного впровадження у вс сфери життя. Як вщомо, для перетворення сонячно! енерги в електричну використовують сонячш електростанцп (СЕ). Вщ !х конструкци зале-
жать способи перетворення сонячно! енерги [1, 2]. Найпоширешший тип СЕ базусться на плоских фотоелектричних модулях (соняч-них панелях) монокристатчного або полш-ристалiчного типу. Завдяки цим панелям вщ-буваеться перетворення сонячно! енерги в постiйний струм.
Залежно вщ схеми, що застосовуеться, пос-тiйний струм може iнвертуватися у змшний або стабiлiзуватися для заряду акумулятор-них батарей (АКБ) [3].
Аналiз публiкацiй
Можна смiливо стверджувати, що напрям для розвитку сонячно! фотоелектрично! ене-ргетики вiдкрив А. Ейнштейн, який заклав основи загально! теорi! фотоефекту. Саме за цю теорiю у 1921 р. вш отримав Нобелiвську премiю з фiзики [4]. У кiнцi ХХ ст. лщером у виробництвi сонячних панелей (сонячних батарей) для СЕ став Китай.
Починаючи з 2000 р., потужнють сонячних електростанцш у свт кожнi три роки збшь-шуеться у два рази. Розвиток сонячно! енер-гетики йде шляхом збшьшення ККД сонячних елеменив, паралельно вирiшуючи такi завдання, як зниження !х вартостi, збшьшен-ня термшу служби i стабiльностi роботи за рiзних зовнiшнiх умов експлуатаци [4, 5].
1сторично першими фотоелектричними со-нячними елементами з ефективнютю близько 6 % стали елементи на основi кристалiчного кремнiю [5]. Ц елементи - елементи першо-го поколiння - у наш час складають 90 % всього ринку виробництва сонячних панелей (СП) i мають у середньому ККД 20 %, але вони мають i ряд недолтв: високу вартють виробництва, токсичнiсть процесу виготов-лення, велику кшьюсть токсичних вiдходiв тощо [2, 4-7].
Спроби позбутися цих недолтв привели до створення альтернативних сонячних елемен-т1в, у тому чи^ тонкоплiвкових якi вважа-ються елементами другого поколiння iз сере-днiм ККД 15 % [2, 4].
Наступним етапом удосконалення СП стало створення оргашчних та багатошарових сонячних елементiв - елеменив третього поко-лiння з ККД оргашчного полiмеру близько 5 % [8, 9]. При створенш останшх дослщни-
ки намагаються виршити так проблеми, як зниження токсичносп виробництва i вщхо-дiв, зменшення собiвaртостi за рахунок зме-ншення мaтерiaльних та енергетичних ви-трат, збшьшення швидкосп виготовлення i спрощення цього процесу, досягнення максимально! стабшьносп роботи СП в рiзних погодних умовах. До елементiв третього по-колiння вiдносяться так зваш кaскaднi, або бaгaтоперехiднi сонячнi елементи, в яких фо-тоелектричний мaтерiaл утворений багато-шаровою структурою iз загальною товщи-ною 1-5 мкм, що мютить кiлькa (вiд 2 до 4) нашвпровщникових переходiв. Саме для таких сонячних елеменпв отримаш рекорднi значення ККД 45-46 % [2, 4, 7, 8].
З aнaлiзу лгтературних джерел та мониторингу ринку СП стае очевидним, що найбшьш поширеними е поль й монокристaлiчнi фото-елементи. Вони займають близько 90 % ринку СП i е найбшьш доступними. Та на ефек-тивнють !х роботи також значною мiрою впливае вибiр схеми, за якою !х пiдключено.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е проведення aнaлiзу юную-чих схем побудови сонячних електростанцш на фотоелектричних модулях iз запропону-ванням конкретного ршення щодо схемно! реaлiзaцi! сонячно! зарядно! стaнцi! для елек-тромобшв.
Автономна сонячна електростанцiя постiйного струму
Вщповщно до принципу роботи ще! СЕ сонячна енергiя, що потрапляе на сонячш па-нелi (СП), перетворюеться в постiйний елек-тричний струм. СП з'еднaнi з контролерами заряду АКБ. Вдень, коли сонце е активним, згенерована електроенерпя накопичуеться в акумуляторних батареях. I вже нaдaлi вона може використовуватися для живлення спо-живaчiв постшного струму [3].
Схема СЕ автономного типу постшного струму подана на рис. 1, де контролер заряду - це електронний пристрш iз вбудованим конвертором постшного струму DC/DC, що оптимiзуе параметри енерги мiж сонячними панелями i АКБ.
На цей час великою популярнютю користу-ються 2 види контролерiв заряду, а саме:
Ш1М i МРРТ. Принцип роботи Ш1М контролера заряду СП Грунтуеться на досягненш постшно!' напруги на акумуляторь Ш1М-контролери (РWМ-типу) забезпечують заряд АКБ. Як емнюш накопичувачi пропонуеться використовувати свинцево-кислотнi гермети-зованi батаре!'.
Робота МРРТ контролера заряду базуеться на пошуку точки максимально!' потужность
Тобто це пошук значення напруги i сили струму, за яких параметри яскравостi свггла, нагрiвання СП i кута падшня променiв сонця будуть максимально ефективними. МРРТ контролери заряду можуть заряджати емнюш свинцево-кислотш, свинцево-сурм'янист^ нiкель-кадмiевi або лiтiй-залiзо-фосфатнi на-копичувачi енерги бшьш високого класу [3].
Сонячш панел1
Споживач1
Рис. 1. Схема СЕ автономного типу постшного струму
Ц сонячнi електростанцп будуть ефективними у тих випадках, коли потрiбно оргаш-зувати автономне вуличне освгглення або забезпечити електроживленням будь-якого шшого споживача постiйного струму - охо-роннi системи, оперативнi кола постшного струму, телекомушкацшш установки (ра-дюзв'язок, супутниковий зв'язок, 1нтернет тощо) [3].
Техшчш характеристики:
- ефективнiсть роботи - 97-98 %;
- складовк СП, контролер заряду, АКБ;
- робота за «зеленим» тарифом не можлива.
Автономна сонячна електростанщя змшного струму
Вiдповiдно до принципу роботи ще!' СЕ сонячна енергш перетворюеться в постiйний електричний струм (за допомогою СП), який подаеться до контролера заряду. Контролер заряду автоматично встановлюе оптимальш налаштування постшного струму для заряду АКБ. Коли АКБ повнютю заряджеш, то зайва електроенергш подаеться до мережевого ш-вертора напруги фС/АС), шдключеного до споживачiв змiнного струму.
У години, коли сонця немае або сонячно!' енерги недостатньо для генерацп електрики
(ввечер^ вночi та зранку), електроенергш з АКБ подаеться до швертора, де перетворюеться у змшну i потiм вже живить спожива-чiв змiнного струму. Функци iнверторiв до-зволяють здiйснювати гнучке налаштування схеми роботи СЕ.
Схема СЕ автономного типу змшного струму подана на рис. 2. Розглянемо основш режими роботи СЕ автономного типу змшного струму.
Режим 1. Автономне електропостачання. Дана схема може застосовуватися, коли немае мережi змшного струму. Вся накопичена за свггловий день електроенергш в АКБ ви-користовуеться у вечiрнiй та шчний час для живлення споживачiв змшного струму. Пра-вильний розрахунок потужнос^ сонячних панелей i достатня енергоемнють АКБ до-зволяють забезпечити повну автономнють об'екта.
Режим 2. Змшане електропостачання. Цей вид СЕ вимагае наявност мережi змшного струму, яка використовуеться при розрядi АКБ, щоб не вщбувалося припинення подачi електропостачання споживачiв. Перевага цього типу полягае в тому, що немае необ-хiдностi встановлювати багато СП та АКБ, бо завжди е можливють отримати нестачу електроенерги вщ централiзованоl мережi.
Рис. 2. Схема СЕ автономного типу змшного струму
Режим 3. Резервне електропостачання. У цьоому випадку схема СЕ передбачае налаш-тування швертора таким чином, що АКБ за-лишаеться завжди зарядженою на 100 %. Лише невелика юлькють вироблено!' соняч-но!' електроенергИ витрачаеться на шдтримку повного заряду акумулятор1в, решта об'ему перетворюеться на змшний струм 1 викорис-товуеться для живлення споживач1в, надли-шок вщдаеться в мережу, зг1дно з умовами «зеленого» тарифу.
Техшчш характеристики:
- ефективнють роботи до 90-93 %;
- складовк СП, контролер заряду, АКБ; мережевий швертор;
- можлива робота в умовах «зеленого» тарифу.
Мережева сонячна електростанщя змшного струму
Вщповщно до принципу роботи ще! СЕ пос-т1йний струм, що виробляеться СП, подаеть-ся на вхщ мережевого 1нвертора, який перет-
ворюе пост1йний струм на змшний. Вихщ в1д мережевого 1нвертора подключено до мереж1 зм1нного струму, а також до споживач1в еле-ктроенергЙ. Вказана схема в1др1зняеться своею простотою, однак конструкщя мае кшька особливостей. СЕ працюе т1льки тод1, коли доступна електрична мережа змшного струму, а також напруга в мереж1 перебувае в робочому д1апазош швертора.
Схема мережево! СЕ змшного струму подана на рис. 3.
У денний час, коли споживання електроенер-гЙ, як правило, знаходиться на мш1мальному р1вш, вироблена енерпя передаеться в мережу за «зеленим» тарифом. У веч1рнш та шч-ний час енерпя надходить з мережь Таким чином, вказаний вид СЕ дозволяе ютотно економити на витратах за оплату електрое-нергИ, а якщо збшьшити масив СП, то домо-господарство буде отримувати прибуток за позитивну р1зницю вироблено! й витрачено! електроенергЙ за п1дсумками певного терм1ну.
Рис. 3. Схема мережево! СЕ змшного струму
Техшчш характеристики:
- ефективнють роботи - до 97 %;
- складовк СП, мережевий швертор;
- можлива робота в умовах «зеленого» тарифу.
Пбридна сонячна електростанщя зм1нного струму
Вщповщно до принципу роботи ще*1 СЕ пос-т1йний струм, що виробляеться СП, подаеть-ся на вх1д мережевого 1нвертора, який перет-ворюе пост1йний струм на змшний. Вих1д в1д мережевого 1нвертора шдключено до мереж1 зм1нного струму через розподшьчий щит, а також до споживач1в електроенергН. Мережа зм1нного струму шдключаеться до входу пб-ридного швертора; також до г1бридного
швертора п1дключено АКБ. Виходи мережевого сонячного швертора 1 пбридного швертора об'еднаш через розпод1льний щит 1 за-безпечують електроживленням споживач1в зм1нного струму.
Застосування г1бридного швертора 1з заряд-ним пристроем у цьому тип СЕ забезпечуе ряд переваг - електростанщя працюе навггь за в1дсутност1 напруги в мереж1 зм1нного струму, а також в умовах нестабшьно1 мере-ж1. Доступно кшька режим1в роботи, як1 мо-жуть гнучко налаштовуватися в1дпов1дно до потреб та залежно вщ пори року.
Схему пбридно'1 СЕ змшного струму подано на рис. 4.
Рис. 4. Схема пбридно'! СЕ змшного струму
Розглянемо основш режими роботи пбридно'! СЕ зм1нного струму.
Режим 1. Автономна електростанц1я. Згене-рована електроенерг1я накопичуеться в АКБ. Мережевий швертор подае змшну напругу на вих1д г1бридного 1нвертора, який здшснюе заряд АКБ. Надлишок електроенергИ вико-ристовуеться споживачами або вщдаеться в мережу зм1нного струму за умовами «зеленого» тарифу. У веч1рнш та шчний час елект-роживлення забезпечуеться г1бридним 1нвер-тором вщ акумулятор1в.
Для автономного електропостачання потр1бно встановлювати СП в1дпов1дно*1 потужност1, щоб згенеровано'1 електроенергН вистачало на достатнш заряд АКБ, а 1х емност1 було доста-тньо, щоб покрити потреби споживач1в.
Режим 2. Змшане електропостачання. У цьому випадку допускаеться незначний або повний розряд АКБ (задаеться на панел1 контролю), шсля чого електроживлення буде переключене на мережу змшного струму. Мережевий швертор продовжуе роботу в будь-якому випадку 1 доповнюе потужнють системи, а також продовжуе заряджати АКБ. Надлишок електроенергН передаеться в мережу за умовами «зеленого» тарифу.
Режим 3. Резервне електропостачання. Схема налаштована таким чином, що АКБ зад1яш тшьки за в1дсутност1 живлення вщ централь зовано'1 електрично'1 мереж1 (авар1я, планове або в1ялов1 вщключення тощо). Сонячний 1нвертор виробляе електроенерпю й забезпечуе нею споживач1в. Надлишок енергИ передаеться в мережу за умовами «зеленого»
тарифу. Подiбнi СЕ застосовуються для мюць, де потрiбно створити систему гаран-тованого електроживлення, а також знизити залежнють або повнiстю вГдмовитися вiд за-гально! мережi електропостачання, напри-клад, для будинюв, котеджГв, офЫв, готелГв, баз вiдпочинку тощо.
Технiчнi характеристики:
- ефективнiсть роботи - до 97 %;
- складовк СП, мережевий iнвертор, пбридний iнвертор, розподiльчий щит, панель контролю, АКБ;
- можлива робота в умовах «зеленого» тарифу.
Сонячш зарядш станцй* для електромоб1л1в
Виходячи з проведеного аналiзу конструкцiй, тишв i будови СЕ та вГдповГдно до поставле-ного завдання, за основу для сонячно! заряд-но! станцГ! для електромобiлiв обрано пбри-дну СЕ змiнного струму.
Схему реалiзацГí сонячно! зарядно! станцГ! для електромобшв подано на рис. 5. Принцип роботи ще! схеми ствпадае з принципом роботи схеми, подано*! на рис. 4. Вщмшнють цих двох схем полягае лише в тому, що спо-живачами виступають зарядш системи елек-тромобгав через вiдповiдний порт зарядного пристрою.
Рис. 5. Схема сонячно! зарядно! станцГ! для електромобiлiв
Якщо заряд йде постшним струмом, то елек-трична енергiя надходить з пбридного швер-тора через мережу постшного струму. Якщо заряд електромобiля здшснюеться змiнним струмом, то система заряду тдключаеться до мережi змiнного струму. Електроенергш в цьому випадку надходить або вщ гiбридного iнвертора, або вГд мережевого iнвертора через розподшьчий щит. Потiк електроенергГ! визначаеться програмним чином (панель контролю) залежно вод наявних умов та стану заряду АКБ сонячно! зарядно! станцй. При цьому якщо АКБ сонячно! зарядно! станцй будуть повнютю зарядженi, передбачаеться робота станцй за «зеленим» тарифом з вгд-данням надлишюв енергГ! в загальну мережу через пбридний швертор.
Технiчнi характеристики:
- ефективнють роботи - до 97 %;
- складовi: СП, мережевий швертор, пбридний швертор, розподшьчий щит, панель контролю, АКБ, зарядна станцш з робо-тою вгд постшного та змшного струму;
- можлива робота в умовах «зеленого» тарифу.
ПодГбш зарядш електростанцГ! знижують залежнють вГд загально! електромережi електропостачання або дозволяють повнютю вгд-мовитися вГд не!. Як АКБ у запропонованш заряднiй станцГ! плануеться використовувати вживаш АКБ вод електромобГлГв. У подаль-ших роботах буде подано бшьш детальний аналГз сонячних зарядних станцГй для електромобГлГв з розрахунком !х основних складо-вих та аналГзом енергетичних Г електричних процесГв, що протжають.
Висновки
Запропоновано схему будови сонячно! заря-дно! станцп для електромобшв i3 зазначен-ням И функщональних можливостей та особ-ливостей роботи.
Сонячш заряднi станцп для електромобшв знижують залежнiсть вiд загально! електро-мережi електропостачання або дозволяють повнютю вiдмовитися вiд не!.
Застосування подiбного типу сонячних заря-дних станцш створюе умови до переходу на роботу за «зеленим» тарифом. Це сприяе енергонезалежносп та енергоефективностi шдприемств та органiзацiй, що експлуатують вказаш заряднi станцп.
Лiтература
1. Ахмедов Р. Б. Гелиоэнергетика. Солнечные электрические станции / Р. Б. Ахмедов и др. - М.: ВИНИТИ, 1986. - 120 с.
2. Marti A. Next Generation Photovoltaics / A. Marti, A. Luque eds. - Bristol: Institute of Physics Publ., 2004 - 344 с.
3. Aбрамовa O. Види та типи: схеми сонячних електростанцш / О. Абрамова // Матерiали сайта. - 2016. - Режим доступу: http://ukrenerho.com/vidi-ta-tipi-shemi-sonyachnih-elektrostantsij/.
4. Миличко В.А. Солнечная фотовольтаи-ка: современное состояние и тенденции развития / В.А. Миличко // Успехи физических наук. - 2016. - Т. 186, №. 8. -
C.801-852.
5. Chapin D. M., Fuller C. S., Pearson G. L. A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power // Journal of Applied Physics. - 1954. -Т. 25, №. 5. - Р. 676-677.
6. Ginley D. S. Fundamentals of materials for energy and environmental sustainability /
D. S. Ginley, D. Cahen (ed.). - Cambridge university press, 2011. - 754 р.
7. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей / Г. Рау-шенбах. - М.: Энергоатомиздат, 1983. -360 с.
8. Wei C. Y. Efficiency improvement of HIT solar cells on p-type Si wafers / C.Y. Wei
et al. // Materials. - 2013. - Vol. 6, №. 11. - P.5440-5446.
9. Green M. A. Third generation photovoltaics: advanced solar electricity generation / M. A. Green. - Spriinger-Verlag, Berlin. -2003. - 160 p.
References
1. Akhmedov R. B. Gelioenergetika. Solnech-nye elektricheskie stantsii [Solar energy. Solar power plants]. Moscow, VINITI Publ., 1986. 120 p.
2. Marti A., Luque A. (ed.). Next generation photovoltaics: high efficiency through full spectrum utilization. CRC Press, 2003. 344 p.
3. Abramova O. Vydy ta typy: shemy sonjachnyh elektrostancij [Types and types: Solar Power Plants]. 2016. Avaliable at: http: //ukrenerho. com/vidi-ta-tipi-shemi-sonyachnih-elektrostantsij/.
4. Milichko V. A. Solnechnaia fotovol'taika: sovremennoe sostoianie i tendentsii razviti-ia [Solar photovoltaics: current state and development trends]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2016. vol. 186. no. 8, pp. 801-852.
5. Chapin D. M., Fuller C. S., Pearson G. L. A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power. Journal of Applied Physics, 1954, vol. 25, no. 5, pp. 676-677.
6. Ginley D. S., Cahen D. (ed.). Fundamentals of materials for energy and environmental sustainability. Cambridge university press, 2011. 754 p.
7. Raushenbakh G. Spravochnik po proektiro-vaniiu solnechnykh batarei [Guide to the design of solar panels]. Moscow, Energo-atomizdat Publ., 1983. 360 p.
8. Wei C. Y. Efficiency improvement of HIT solar cells on p-type Si wafers. Materials, 2013, vol. 6, no. 11, pp. 5440-5446.
9. Green M.A. Third generation photovolta-ics: advanced solar electricity generation. Spriinger-Verlag, Berlin, 2003. 160 p.
Рецензент: О.В. Бажинов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
