CC BY
83
УДК [621.313.17-846:621.472]:[662.997:620.91]
С. В. Головко, В. А. Автаев, Н. Г. Романенко
ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Цель исследования - разработка передвижного автономного энергетического комплекса и системы управления установкой. Приведена монтажная схема комплекса, способного работать как от дизельного генератора, так и от альтернативных источников энергии - солнечных батарей, которые поочередно заряжают две группы аккумуляторов. Система запускает дизельный генератор при разрядке аккумуляторов и при слишком высокой нагрузке. Солнечные батареи обеспечивают дешевую электроэнергию, электрогенератор - бесперебойное электроснабжение. Комплекс снабжен системой кондиционирования и автономным отопительным агрегатом, который, при необходимости, должен поддерживать оптимальную для работы генератора температуру. Комплекс способен в течение длительного времени обеспечивать электроэнергией частный дом, туристический лагерь, другие объекты на удаленных земельных участках и в труднодоступной местности. Достоинства комплекса - мобильность, использование источника энергообеспечения, работающего на возобновляемых ресурсах, и относительная автономность. Комплекс дешевле аналогов и прост в использовании. Максимальная автоматизация позволяет пользоваться комплексом любому человеку.
Ключевые слова: автономный энергетический комплекс, автоматический ввод резерва, солнечный генератор.
Введение
Необходимость постоянного и бесперебойного снабжения электроэнергией для обеспечения комфорта населения растет с каждым годом. К сожалению, центральное электроснабжение не всегда способно обеспечить нужды потребителей. В ряде случаев исправить ситуацию позволяет использование децентрализованных систем электроснабжения. Однако рост цен на моторное топливо определяет высокие тарифы на электроэнергию, производимую в таких системах. Реальным способом повышения энергетической эффективности автономных дизельных систем электроснабжения является включение в их состав установок на основе возобновляемых видов энергии, среди которых наиболее универсальными являются солнечные модули [1].
С учетом вышеперечисленного целью нашего исследования являлась разработка передвижного комплекса автономного электроснабжения на базе возобновляемых и альтернативных источников электроэнергии.
Конструкция автономного энергетического комплекса
Разрабатываемый комплекс совмещает в себе два источника электроэнергии: солнечные батареи и дизельный электрогенератор. Комплекс представляет собой прицеп-фургон с солнечными батареями, расположенными по бокам (рис. 1), которые вырабатывают достаточное количество электроэнергии, чтобы обеспечивать базовые потребности частного дома как в ясный день, так и в пасмурную погоду.
Рис. 1. 3Б-модель энергокомплекса
/ввЯ 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2016. № 2 (62)
Крепления солнечных батарей обеспечивают возможность, при необходимости, отрегулировать угол наклона для максимальной эффективности панелей. Использование следящей системы «Трекер» позволяет солнечным панелям самостоятельно изменять наклон в зависимости от времени года и автоматически двигаться в течение дня в соответствии с движением солнца [2]. Такой способ производства электроэнергии намного увеличивает ее количество по сравнению с количеством электроэнергии, производимой неподвижными панелями, так как фотоэлектрические панели способны работать гораздо продуктивнее, когда рабочая поверхность фотоэлементов расположена перпендикулярно к солнечному свету. Управление трекерами осуществляется при помощи микроконтроллера и импульсных датчиков.
Внутри фургон разделен на три модуля. Первый модуль представляет собой топливохрани-лище, топливный резервуар ёмкостью 1000 л, который при необходимости можно заменить на более объемный. Во втором модуле расположен бензиновый генератор мощностью 6 кВт. Третий модуль содержит в себе ряды аккумуляторов, систему управления автономным комплексом, а также шкаф автоматического ввода резерва (АВР) [3].
Фургон снабжен системой кондиционирования и автономным отопительным агрегатом, который, при необходимости, должен поддерживать температуру, оптимальную для работы генератора. Передняя стенка третьего модуля убирается для простого доступа к аккумуляторным батареям и системе управления.
На рис. 2 представлена монтажная схема комплекса.
, ггсм
о( о
-н—
Генераторе АВР
Аккумуляторы
Рис. 2. Монтажная схема автономного энергетического комплекса
Солнечные батареи поочередно заряжают две группы аккумуляторов, от которых осуществляется питание. При разрядке одной группы аккумуляторов автоматический контроллер переключает напряжение на другую. Если обе группы аккумуляторов разряжены или если нагрузка слишком высока, система запускает дизельный генератор.
Система управления установкой
Переключение между источниками электричества будет производиться при помощи контроллера, расположенного в шкафу АВР, который способен за доли секунды переключить нагрузку на другой питающий ввод. Контроллер также будет выполнять функцию контроллера заряда и управлять положением солнечных панелей.
Автоматический ввод резерва - способ обеспечения резервным электроснабжением нагрузок, подключенных к системе электроснабжения с двумя и более питающими вводами. Основная задача АВР - повышение надежности системы электроснабжения. При утрате основного источника система автоматически переключает нагрузку на резервный.
Автоматический ввод резерва способен обеспечить:
- автозапуск генераторной установки при потере основного источника электроснабжения;
- автоостановку при восстановлении основной линии;
- автопереключение нагрузки с основной сети на резервную и назад;
- мониторинг основной сети и генераторных выводов. На мониторе контроллера отражаются фазовое напряжение (в случае трехфазных сетей или генераторов), ток нагрузки, частотность напряжения, аккумуляторный заряд батареи и т. д.
Автоматический ввод резерва оснащен механическими и электрическими системами защиты, чтобы предотвратить включение двух источников питания одновременно.
Автоматический ввод резерва обеспечивает:
- автоподдержку температурного режима жидкости охлаждения или воздушного потока в самом кожухе как в период эксплуатации станции, так и на стадии ожидания;
- отслеживание качества производимой энергии (напряжение, частотность и т. д.);
- надзор за топливными ресурсами и маслом с их автоподкачкой;
- сообщение о пуске генераторной установки по мобильному устройству, интернет-сети;
- дистанционную переадресацию всех данных о состоянии станции на дежурный пост;
- надзор и поддержку эксплуатации батареи аккумуляторного типа.
На рис. 3 представлена лицевая панель шкафа АВР.
Рис. 3. Шкаф АВР: АКБ ДГУ - аккумуляторная батарея дизель-генераторной установки;
СБ - солнечная батарея
Реле минимального напряжения, входящее в состав АВР, подключается к защищаемым участкам через трансформаторы напряжения и используется как измерительный орган, сигнализирующий АВР о падении напряжения на участке. Однако отсутствие напряжения не является достаточным условием для того, чтобы АВР начал свою работу. Как правило, должен быть удовлетворён еще ряд условий:
- на защищаемом участке нет короткого замыкания; понижение напряжения может быть связано с коротким замыканием, поэтому включение дополнительных источников питания в эту цепь нецелесообразно и недопустимо;
- вводной выключатель включён. Это условие проверяется, чтобы АВР не сработал, когда напряжение исчезло из-за того, что вводной выключатель был отключён намеренно;
- на соседнем участке, от которого предполагается получать питание после вступления в действие АВР, напряжение присутствует. Если обе питающие линии находятся не под напряжением, то переключение не имеет смысла.
ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2016. № 2 (62)
После проверки выполнения всех этих условий логическая часть АВР даёт сигнал на отключение вводного выключателя обесточенной части электрической сети и на включение межлинейного (или секционного) выключателя. Следует отметить, что межлинейный выключатель включается только после того, как вводной выключатель отключился.
Автоматический ввод резерва подразделяется также на системы с восстановлением и без восстановления: при работе с восстановлением при возникновении напряжения на вводе с установленной выдержкой схема восстанавливает исходную конфигурацию. Обычно данный режим выбирается установкой накладок вторичных цепей в соответствующее положение. При восстановлении АВР допускается кратковременная работа питающих трансформаторов «в параллель» для обеспечения бесперебойности электроснабжения [4]. Принцип работы АВР представлен на рис. 4.
Рис. 4. Принцип работы АВР
Ограниченность размеров не позволяет использовать большие площади солнечных батарей, что частично компенсируется использованием солнечных панелей высокого качества. Электрические параметры установленной в комплексе солнечной электростанции:
Постоянное рабочее напряжение................................................................................................................................48 В
Переменное напряжение на выходе...............................................................................................................220 В, 50 Гц
Номинальная выходная мощность............................................................................................................................6 кВт
Пиковая выходная мощность............................................................................................................................30 с: 8 кВт
Установленная номинальная мощность солнечных батарей..............................................................................2250 Вт
Температура эксплуатации............................................................................................................................+10...+50 °С
Рекомендуемая температура эксплуатации аккумуляторов.......................................................................+20...+25 °С
Установленный дизельный двигатель, поддерживающий работу солнечных батарей, имеет номинальную мощность 6 кВт. Аккумуляторы при максимальной зарядке способны обеспечить до 4000 А • ч работы.
Заключение
Таким образом, автономный энергетический комплекс может работать как от дизельного генератора, так и от солнечных батарей. Комплекс способен длительное время обеспечивать электроэнергией частный дом, туристический лагерь и другие подобные объекты на удаленных земельных участках и в труднодоступной местности. Максимальная автоматизация при необходимости позволит пользоваться комплексом любому человеку. Солнечные батареи обеспечат дешевую электроэнергию, а электрогенератор (при необходимости) - бесперебойное электроснабжение.
Достоинствами разработанного комплекса являются его мобильность, использование источника энергообеспечения, который работает на возобновляемых ресурсах, и относительная автономность. Комплекс дешевле аналогов и прост в использовании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саврасов Ф. В. Энергоэффективные автономные системы электроснабжения с фотоэлектростанциями: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2013. 21 с.
2. URL: http://www.krug2000.ru/news/56/1223.html.
3. URL: http://avisten.ural.ru/avr/ustroystva-avr.
4. URL: http://www.spectech.ru/index.php?where=genset&what=spres2012-2.
Статья поступила в редакцию 25.05.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Головко Сергей Владимирович - 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; g_s_v_2007@mail.ru.
Автаев Владимир Андреевич — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры электрооборудования и автоматики судов; vovtyaiiaytvov@gmail.com.
Романенко Николай Геннадьевич - 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой электрооборудования и автоматики судов; nikolayrom@yandex.ru.
S. V. Golovko, V. A. Avtaev, N. G. Romanenko
FORMATION OF COMPLEX ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM REMOTE FACILITIES
Abstract. The purpose of the study is to develop an autonomous mobile energy complex and the plant control system. The paper presents the wiring diagram of the complex that can run either on diesel generator, or on alternative sources of energy - solar panels, which in turn charge two groups of batteries. The system runs the diesel generator when the batteries are discharged and the load is too high. Solar panels provide cheap electricity, electric generator - no-break power supply. The complex is equipped with air conditioning and autonomous heating unit, which, if necessary, should maintain optimal for generator temperature. The complex is capable for a long time to provide electricity to the private house, tourist camp, other objects on the remote land areas and in the hard-to-get areas. The advantages of the complex are as follows, mobility, the use of energy source, operating on renewable resources, and the relative autonomy. The complex is less expensive than its analogues and easy to use. Maximum automation allows using the complex by any person.
Key words: autonomous energy complex, automatic transfer switch, solar generator.
REFERENCES
1. Savrasov F. V. Energoeffektivnye avtonomnye sistemy elektrosnabzheniia s fotoelektrostantsiiami. Avtoreferat dis. ... kand. tekhn. nauk [Energy-efficient autonomous power supply systems with photovoltaic power. Abstract of dis. cand. tech. sci.]. Tomsk, 2013. 21 p.
2. Available at: http://www.krug2000.ru/news/56/1223.html.
3. Available at: http://avisten.ural.ru/avr/ustroystva-avr.
4. Available at: http://www.spectech.ru/index.php?where=genset&what=spres2012-2.
The article submitted to the editors 25.05.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Golovko Sergey Vladimirovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; g_s_v_2007@mail.ru.
Avtaev Vladimir Andreevich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; vovtyaiiaytvov@gmail.com.
Romanenko Nikolay Gennadievich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Electrical Equipment and Automation of Vehicles; nikolayrom@yandex.ru.
