21Новые импульсы развития: вопросы научных исследований УДК 621.311.8
Веселова Наталья Михайловна, Veselova Natalia Mikhailovna
Кандидат технических наук, доцент Candidate of technical Sciences, associate Professor Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University, Бренина Татьяна Павловна Brenina Tatyana Pavlovna
Кандидат технических наук, доцент Candidate of technical Sciences, associate Professor Волгоградский государственный аграрный университет
Volgograd State Agrarian University
ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЕ СЛАБОТОЧНЫХ СИСТЕМ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ УСЛОВИЯХ
ELECTRICAL SUPPLY OF LOW-CURRENT SYSTEMS IN EMERGENCY
CONDITIONS
Аннотация: рассмотрены вопросы использования различных источников питания для слаботочных систем в чрезвычайных условиях; дан сравнительный анализ применения резервных источников питания, который показал, что топливные элементы по сравнению с солнечными батареями более мобильны в условиях чрезвычайной ситуации, имеют высокую надежность и не зависят от внешних факторов (могут вырабатывать энергию под землей и под водой).
Abstract: the issues of using different power sources for low-current systems in emergency conditions are considered; a comparative analysis of the use of backup power sources is given, which showed that fuel cells are more mobile in an emergency situation, have high reliability and do not depend on external factors (they can generate energy underground and under water).
Ключевые слова: резервные источники питания, источники питания, системы безопасности, солнечные батареи, топливные элементы, аккумуляторные батареи.
Key words: backup power supplies, power supplies, security systems, solar panels, fuel cells, battery packs.
В настоящее время на примере сельского хозяйства все больше появляется высокотехнологичных установок, системы автоматизации которых работают на цифровых технологиях. Системы управления процессами переработки сельхозпродукции, микроклимата помещений содержания скота и выращивания растений постепенно усложняются и доводятся до совершенства. Но несмотря на меры защиты на хорошо отлаженном производстве могут случиться чрезвычайные ситуации - пожар, наводнение и т.п., которые требуют своевременного реагирования систем [1].
В условиях чрезвычайной обстановки очень важно обеспечить системы безопасности, оповещения, связи и сигнализации бесперебойной подачей энергии. В случае нарушения электропитания от основного источника должен самоактивироваться резервный источник питания. К тому же все локальные и объектовые системы оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) согласно
III Международная научно-практическая конференция
НПБ 104-03 проектируют и строят автономно с индивидуальным источником питания.
К системам СОУЭ предъявляются высокие требования [2], такие как надежность, электромагнитная устойчивость, устойчивость к помехам и вибрации, обеспечение контроля аппаратных средств, управляющих и питающих устройств, за целостностью линий передачи сигналов и питающих линий электропередач, бесперебойность питания. К главному требованию СОУЭ можно отнести это то, что они должны функционировать в течение времени, необходимого для завершения эвакуации людей.
Так как оборудование систем безопасности использует постоянный ток и самое распространенное напряжение 12 В, то в связи с этим можно выделить несколько источников питания для систем СОУЭ.
1. Основные источники питания, к ним будут относится: сетевые, химические и фотоэлектрические источники.
Сетевые источники тока. Напряжение, выдаваемое в электрическую сеть промышленных и бытовых потребителей, переменное величиной 380 В. Для возможности использования электроэнергии сети в цепях безопасности постоянного тока предусматривают различного типа адаптеры или используются цепи с переменным напряжением 220 В. Самым большим недостатком сетевых источников являются сбои в электроснабжении, которые могут восприниматься как ложная угроза.
Современными химическими источниками являются твердые батареи, имеющие углеродные и цинковые электроды. В качестве электролита используют хлористый аммоний. Твердые батареи способны длительное время держать постоянное напряжение, имеют небольшой вес, но при этом их недостаток - они не могут быть перезаряжены после того как химические составляющие отдали свою энергию в форме электричества. В результате производится замена источников тока на новые.
Фотоэлектрические источники представляют собой солнечные батареи. Конструктивно солнечные батареи формируют из фотоэлектрических элементов таким образом, чтобы они выдавали требуемую величину напряжения потребителю. Если бы элементы со временем не окислялись, то они могли бы служить вечно. Так как солнечные элементы ночью не активны, то их применяют в ситуациях, когда использование другого вида обеспечения энергией невозможно или слишком дорого. Малые затраты на установку и эксплуатацию солнечных батарей делают их лидерами в области энергообеспечения специальных технических систем и объектов.
2. Резервные источники питания. К ним применяются наиболее жесткие требования по обеспечению питания в течение дежурного и тревожного режимов.
Резервные источники питания в системах безопасности обеспечивают их непрерывной подачей энергии на время отключения основного источника питания, который в эксплуатации может иметь отключение в системе при обрывах, перегрузках или токах короткого замыкания.
Новые импульсы развития: вопросы научных исследований
Самыми распространенными резервными источниками питания являются аккумуляторные батареи. В системах безопасности при применении аккумуляторных батарей последние должны их обеспечивать небольшим током на протяжении длительного времени. Основное достоинство аккумуляторных батарей состоит не только в том, что они могут длительно хранить энергию, но в том, что их можно снова зарядить до полной мощности. При заряде аккумулятора увеличивается плотность электролита. В процессе работы аккумулятора (циклы заряда и разряда) количество электролита уменьшается, может произойти сульфатация пластин, и заряд аккумулятора до номинальной емкости станет невозможен. Аккумулятор приходит в негодность. К тому же существуют трудности с утилизацией отработанных аккумуляторных батарей.
Так же, как и в аккумуляторных батареях в топливных элементах постоянный ток вырабатывается в ходе электрохимической реакции. Но в отличие от АКБ топливные элементы не разряжаются и не требуют электрической энергии для их заряда. Топливный элемент состоит из анода, катода и электролита. Для его работы требуется подвод топлива (водорода, или оксида углерода, или углеводорода) и окислителя (кислорода или чистого воздуха). Топливные элементы высокоэффективны и не производят парниковые газы, таких как метан и оксид азота, единственными продуктами, которые выбрасываются в атмосферу являются водяной пар и/или небольшое количество углекислого газа.
Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули. Они имеют большие достоинства по сравнению с другими источниками электропитания для систем безопасности [3]:
- надежность - малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания;
- энергосбережение;
- низкий уровень шума;
- устойчивость работы (диапазон рабочих температур от -40°С до +50°С); адаптивность;
- высокая мощность (до 15 кВт);
- низкая потребность в техническом обслуживании;
- экологичность и экономичность.
Для сравнения использования автономных источников питания систем безопасности в чрезвычайных условиях нами были выбраны три варианта. Первый вариант - электрообеспечение на основе солнечных панелей, второй вариант - на основе аккумуляторных батарей, третий - на основе топливных элементов промышленной компании Stabcom-energy [4]. Сравнительные характеристики источников питания показаны в табл. 1.
III Международная научно-практическая конференция
Таблица 1
Сравнение автономных источников питания_
Система с солнечными Система с топливными
Параметры мультикристалическими панелями 240 элементами HOPPECKE H2.power 200
Функциональная Солнечная радиация^ Водородное топливом
схема солнечная панель 240^ H2.power 200^ источник
источник постоянного постоянного тока^
тока^ нагрузка потребителя нагрузка потребителя
Максимальная 175 Вт 175 Вт
мощность
Напряжение 24 В 12 В
постоянного тока
Номинальный ток 7,96 А 0-14 А
КПД 14,5 % 50%
Топливо Стандартный промышленный водород (99,95%)
Выбросы — Макс. 6 мл воды/ 175 Втч
Занимаемая площадь 1,67 м2 0,21 м2
Масса 19 кг 13,6 кг
Источник ионно-литиевые АКБ ионно-литиевые АКБ
постоянного тока
Стоимость 31500 93700 руб.
Себестоимость 0,83 руб. за 1 кВтч 1,6 руб. за 1 кВтч
получаемой
электроэнергии
Как видно из приведенной таблицы явное первенство остается за системой резервного питания от аккумуляторных батарей, так как в нее не входят преобразователи энергии. Но в чрезвычайной ситуации могут возникнуть обстоятельства, когда нельзя осуществить зарядку АКБ от сети. В этом случае преимущество отдается солнечным фотоэлектрическим панелям, имеющим наименьшую себестоимость электроэнергии и капиталовложений. Наибольшей частью затрат в себестоимости электроэнергии у топливных элементов является топливо, так как водород имеет большую стоимость, оксид углерода и углеводороды необходимо предварительно подготавливать. Но при использовании альтернативного топлива, например, биогаза, данная часть затрат будет существенно снижена.
Топливные элементы по сравнению с солнечными батареями более мобильны в условиях ЧС, имеют высокую надежность и не зависят от внешних
Новые импульсы развития: вопросы научных исследований
факторов (могут вырабатывать энергию под землей и под водой). Выработка электроэнергии солнечными панелями в отличие от топливных элементов имеет прямую зависимость от освещенности и ночью равна нулю. Поэтому со временем, когда топливные элементы станут более дешевыми и общедоступными, пальму первенства в автономном энергоснабжении они возьмут себе.
Библиографический список:
1. Влияние чрезвычайных ситуаций на продовольственную безопасность Российской Федерации [Текст] / И.А. Романенко, С.О. Сиптиц, Н.Е. Евдокимова и др. Научн. тр. ВИАПИ имени А.А.Никонова. Вып. 43. - М.: ЭРД, 2015. - 142 с.
2. Особенности расчета времени резервирования технических средств СОУЭ [Электронный ресурс] // офиц. сайт. Группа компаний ESCORT - Режим доступа: https://www.escortpro.ru/page/article/article91.htm. (дата обращения 18.08.2020)
4. Компания Компания Интех ГмбХ / LLC Intech GmbH «Топливные (водородные) элементы/ячейки» [Электронный ресурс] // офиц. сайт. - Режим доступа: http://intech-gmbh.ru/energy units/ (дата обращения 21.08.2020).
5. Топливные ячейки EFOY Pro [Электронный ресурс] // офиц. сайт. ООО «СТАБКОМ ЭНЕРДЖИ». Режим доступа: http://stabcom-energy.ru/oborudovanie/ (дата обращения 24.08.2020).
