CC BY
21УДК 620.92
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННЫХ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Абдали Л. М.1, Исса Х. А.2, Аль-Малики М.Н.3, Кувшинов В.В.4, Бекиров Э.А.5
'ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Институт ядерной энергии и промышленности,
г. Севастополь, РФ , laith_2210@yahoo.com 2ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Институт ядерной энергии и промышленности,
г. Севастополь, РФ haeder.issa84@gmail.com 3ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Институт ядерной энергии и промышленности,
г. Севастополь, РФ, hassamal817@gmail.com 4ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Институт ядерной энергии и промышленности, ул. Курчатова, 7, г. Севастополь, РФ, 299015, кuvshmov.vladimir@gmaiLcom 5ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. Вернадского», Физико-технический институт,
г. Симферополь, РФ, bekirov.e.a@cfuv.ru
Аннотация: Предложен инновационный гибридный блок микрогенерации на основе, возобновляемых источников энергии, который был разработан для полной интеграции в специализированную светодиодную систему уличного освещения. Ключевой особенностью этой новой системы является размещение нескольких ветровых турбин в самой конструкции установки, также фотоэлектрическая панель интегрирована для выработки электроэнергии. Электричество генерируется оборудованием преобразования энергии вместе с устройством хранения, которое обеспечивает освещение даже в безветренные ночи. Основное применение этого проекта - автономное уличное освещение, но также возможен вариант с подключением к сети, что делает систему совместимой с концепциями микросетей. Установлен натурный прототип системы генератора освещения. Моделирование программы МайаЬ было использовано для проверки рабочего состояния предлагаемой системы для гибридной входной мощности и напряжения батареи. Проведенные исследования показали значительную эффективность выработки электрической энергии при использовании в ветровой и солнечной установках системы контроля параметров и аккумулирования энергии. Использование гибридной ветро-солнечной системы позволяет эффективно управлять генерацией электрической энергии для поддержания необходимых значений мощности в локальной сети, а также управлением по току, частоте и напряжению. При применении предложенных гибридных систем значительно увеличиваются энергетические характеристики установок, возрастает генерация и способность с аккумулировать значительное количество электрической энергии. Возможности повышения эффективности работы ветро-солнечных гибридных систем преобразования энергии ветрового потока и солнечной радиации помогут значительному увеличению экологической составляющей при работе больших энергокомплексов в крупных городах и курортно-рекреационных системах.
Предмет исследования. Энергетические характеристики комбинированных ветро-солнечных установок, используемых для обеспечения уличного освещения.
Материалы и методы. В данной статье выполняется моделирование гибридной системы, состоящей из солнечной фотоэлектрической системы, ветряного генератора. Были применены высокоточные и быстро реагирующие методы для максимального отслеживания мощности и управления в ветряных турбинах. Рекомендуемая система была смоделирована в различных условиях солнечного излучения и изменение скорости ветра.
Результаты. Разработана и исследована гибридная система фотоэлектрических и ветроэнергетических установок, связанных с энергосистемой, с целью обеспечения системы освещения, активной мощности и компенсации реактивной мощности. Выводы. Проведенные исследования показали значительное увеличение эффективности выработки электрической энергии при использовании в ветровой и солнечной установках системы контроля параметров и аккумулирования энергии и результаты моделирования показывают значительную эффективность системы управления, улучшении качества электроэнергии за счет обеспечения нагрузки реактивной мощностью. Соответствующая скорость и точность представленных изменений, и отсутствие трансформаторов являются достоинствами предлагаемой системы. Кроме того, представленные мощности, необходимы для систем освещения при любых изменениях погоды, также проведенные исследования указывают на повышение надежности систем освещения.
Ключевые слова: ветро-солнечная гибридная установка, микрогенерация, система управления, уличное освещение, фотопреобразователи.
Введение
Проверкой исследований в области технологии микрогенерации возобновляемых источников энергии является удачное сочетание эффективности и городской интеграции. Действительно, область применения с наибольшим потенциалом находится в
городах, где сосредоточено большое количество мелких потребителей [1], очевидно, что в этом контексте решение установки инновационных электростанций становится важным фактором для успеха проектов [2,3]. Энергия ветра и Солнца — это бесплатные и чистые источники, возможно, самая многообещающая альтернатива выработке энергии на ископаемом топливе. Эта идея в последние годы
лидирует на энергетическом рынке [4]. Однако, в частности, небольшие ветровые турбины должны сталкиваться с некоторыми проблемами, связанными с шумом, непостоянными ветрами и вибрационным воздействием [5], которое может возникнуть из-за высокой скорости вращения, типичной для небольших ветрогенераторов [6].
Установленные на зданиях ветровые турбины могут быть эффективными для получения электрической энергии, в связи с установкой их на большой высоте, где доступный воздушный поток сильнее [7]. Поэтому предпочтительнее использовать встроенную ветроэнергетику [8]. Тем не менее, уровень мощности этого типа установки серьезно ограничен структурной прочностью существующих зданий и передачей вибрации. Среди полей, готовых для подключения источников электроэнергии к нагрузке, есть наружное освещение [9].
Переносные осветительные приборы могут быть приспособлены для установки устройств, использующих возобновляемые источники энергии. Такие системы, особенно с питанием от фотоэлектрических панелей и батарей, в настоящее время повсеместно используются и доступны в продаже [10]. Основное их применение - освещение отдаленных территорий, они работают как автономные генерирующие установки. Есть некоторые коммерческие продукты, оснащенные как фотоэлектрическими, так и ветровыми турбинами с вертикальной или горизонтальной осью как показано на рис 1, например, те, которые указаны в справочных материалах [11]. В технологиях ветровых турбин с горизонтальной осью обычно используется более высокий коэффициент мощности. Однако в области микрогенерации их аэродинамическая эффективность снижается из-за отсутствия активного управления, в частности, в отношении ошибки рыскания и запуска [12]. Такие проблемы не связаны с технологиями ветровых турбин с вертикальной осью вращения, такими как тип Савониуса, которые становятся конкурентоспособными, особенно в условиях сильно изменчивого ветра [13].
Рис.1. Ветер, Солнце, Гибрид, Уличный свет, Светодиоды Fig.1. Wind-Solar-Hybrid-Street-Light-LED
В существующих решениях обычно используются турбины с вертикальной осью, в основном типа Дарье, расположенные на вершине традиционных башен. Таким образом, энергоблоки кажутся геометрически отделенными от всего уличного фонаря. Берданье и др. представили в включение ветровой турбины типа Савониуса вместе с наклонной фотоэлектрической панелью в световой корпус прототипа светового столба [14]. Этот вариант также отличается наличием только одного ветрового ротора на вершине мачты.
Гибридная система
Блок-схема предлагаемой гибридной системы поясняется на рис. 2. Система состоит из многоконтактного повышающего преобразователя постоянного тока, трехфазного инвертора постоянного тока в переменный ток и трехфазной нагрузки переменного тока, подключенной к сети, а также имеет понижающий преобразователь, подключенный к входной цепи постоянного тока с аккумулятором и осветительным блоком. Активная и реактивная составляющая мощности сети и гибридных источников обмениваются через управление амплитудой и фазой выходного напряжения в инверторе и коэффициентом заполнения повышающего преобразователя [15]. Система управления обеспечивает переключение сигналов путем управления питанием источников постоянного тока (РС). Компоненты системы будут описаны в следующих разделах соответственно [16].
Ветрогенератор Фотоэлектрическая Сеть
панель
UH[-^
Контроллер ВЭУ алластный реостат . .
Аккумуляторы Инвертор Потребители
Рис. 2 Структурная схема предлагаемой гибридной системы
Fig.2. Block diagram of the proposed hybrid system
Постановка задачи исследования Ветровая система
Для достижения максимальной мощности в ветровых системах скорость вращения ротора
турбины должна быть немедленно скорректирована с учетом скорости ветра. Большинство методов отслеживания точки максимальной мощности (ТММ) основаны на кривой максимальной точки ветровой турбины и профиле скорости ветра [17]. Предлагается новая стратегия, основанная на улучшенном методе отслеживания точки максимальной мощности для ветровой системы с переменной скоростью, основанной на улучшенном методе возмущений и наблюдений (Р&О), с использованием синхронного генератора на постоянных магнитах (СГПМ).
Моделирование ветротурбины и ее характеристики
Если трением ротора пренебречь, механическая характеристика турбины может быть описана с помощью следующей формулы:
2 4 6 8 10 12
передаточное отношение конечной скорости I
Рис.3. Cp - X спецификация ветродвигателя для разных
значений угла наклона лопасти. Fig. 3. Cp - X specification of the wind turbine for different values of the blade inclination angle.
Т
1 Л/
dw
TLoad ^ (h
Рм = 0.5 x СР x p x Л x f,
4
(1) (2)
где; Тм механический крутящий момент турбины, Тм крутящий момент нагрузки, j - инерция всей системы ветра, w (рад / с) - угловая скорость ротора, R (м) - радиус ротора, А (м2) - площадь подметания лопасти турбины, Vw (м / с) - скорость ветра, Ср -коэффициент использования мощности турбины, р (кг / м3) - плотность воздуха и Рт - мощность ротора. Отношение механической мощности, подаваемой турбиной, к мощности, имеющейся в воздушной массе, называется «коэффициент мощности (Ср)»:
,(Я,в) = с1(с21-
С3в — С4вх
-с5)в
(3)
Коэффициенты с первого по 6 и X могут отличаться для разных турбина. Параметр «1 / Л» определяется следующим образом:
1
1
0,034
А+ 0.086 1 + в3
(4)
Кривая коэффициента мощности с точки зрения скорости вершины лопатки для типичной турбины показана на рисунке 3 [18].
Выходная мощность турбины будет максимальной, когда Ср максимален. Это оптимальное значение Ср встречается при разных значениях X, следовательно, если скорость ветра предполагается постоянной, значение Ср будет зависеть от скорости вращения ротора ветродвигателя [19]. Соответственно, выходная мощность турбины регулируется путем регулировки скорости вращения ротора. Кроме того, для данной скорости ветра существует только уникальная скорость вращения ротора, которая максимизирует мощность [20].
Отслеживание максимальной мощности точки с переменным шагом
Cp - X спецификация ветродвигателя для заданной скорости ветра, механическая мощность турбины может быть выражена как функция напряжения постоянного тока [21]. Существует также оптимальный Уь, который максимизирует выходную мощность генератора СГПМ. Переменный шаг для вариаций Vdc предполагается в улучшенном методе возмущения и наблюдения (1Р & О) [22]. Это приводит к улучшению скорости сходимости и точности системы. Метод переменного шага работает по методу Ньютона-Рафсона. В этом методе корень функции оценивается с помощью следующего уравнения:
Хп+1 = Хп j
. F(Xn)
F'(Xn)
(5)
Xn - начальное значение X, F (хп) - значение функции в точке хп, F '(XI!) - производная функции в точке Хп [23].
Используя уравнение, шаг вариаций Vdc, (ДVdc) выражается как:
AVdc =
F(Xn+i) = Р(п + 1)—Р(п) F(Хп+1) grad(n + 1) — grad(ri)
(6)
Следовательно, опорное напряжение вычисляется по следующему равенству:
К
dcref
(ri+1) = Vdcref(ri) + AVC
dc
(7)
Используя переменные шаги, трекер Maximum Power Point быстрее сходится к максимальному значению мощности, и колебания мощности уменьшаются. Диапазон изменений AVdc был ограничен. Предел AVdc изменяется в зависимости от размера генератора и параметров конструкции системы [24].
1
С
л
Фотоэлектрический (PV) массив и ТММ
Фотоэлектрическая матрица определяется как группа из нескольких модулей, электрически соединенных последовательно-параллельными
комбинациями для генерации требуемого тока и напряжения. Идеальный фотоэлектрический модуль может быть смоделирован как эквивалентная схема с одним диодом. Уравнение (8) представляет математическую зависимость между текущим IPV модуля PV и другими соответствующими параметрами. На рисунке 4 показана эквивалентная схема с одним диодом, в том числе источник тока Iph, подключенный антипараллельно диоду, в том числе последовательный резистор Rs и параллельный резистор Rp [25].
G
ipv — qpv,stc + к±ат)
(8)
Рис.4. Эквивалентная схема фотоэлектрического (PV) модуля.
Fig.4. Equivalent circuit of a photovoltaic (PV) module.
Из уравнения (8) Ipv, stc — это ток PV-модуля в стандартных условиях испытаний (STC), Ki -температурный коэффициент тока, G - солнечное излучение, измеренное в Вт/м2, а Gn - номинальное солнечное излучение (1000 Вт/м2). Из уравнения мы можем наблюдать прямо пропорциональную зависимость между G и IPV, STC в том, что чем выше освещенность (облучение), тем больше генерируется фотоэлектрический ток.
Однако, когда освещенность уменьшается из-за затенения, ток уменьшается. Кроме того, уравнение (9) представляет собой расчет напряжения холостого хода фотоэлектрического модуля (Voc) [26]:
Q
Voc — Voc,stc + Kv(T-TSTC) + aVT\n(—) (9)
USTC
где Voc, stc - напряжение холостого хода фотоэлектрического модуля, KV - температурный коэффициент напряжения, Т - температура, а Tstc -температура при STC (25 0C). Кроме того, а -постоянная идеальности диода и VT - постоянная напряжения. В уравнении показано, что напряжение холостого хода изменяется как при облучении, так и при температуре; предполагая, что последний член уравнения (9) очень мал, уровень температуры является основной причиной изменения значения напряжения холостого хода PV. Аналогично, из уравнений (8) и (9) показано, что работа PV
изменяется в зависимости от облучения и температуры.
Чтобы разработать эффективный алгоритм ТММ, было проанализировано более 20 образцов характеристических кривых PV [27]. На рисунке 5 показаны последовательно соединенные
фотоэлектрические модули с различными схемами облучения, и температура.
Рис. 5 Структурная реализация метода ТММ Fig. 5. Structural implementation of the MPPT method
Описание системы управления
В предлагаемой системе операции основаны на обеспечении нагрузки системы освещения таким образом, чтобы всегда обеспечивалась необходимая мощность из-за важности освещения на улицах и трассах. Другим преимуществом подключения этой гибридной системы к электросети является обеспечение зарядки систем освещения на время дефицита энергии ветра и Солнца. Система управления спроектирована в соответствии с необходимыми соображениями распределения потребляемой мощности активной зарядки, а также обеспечения ее реактивной мощности, а надлежащее управление электронными преобразователями мощности в повышающем преобразователе фотоэлектрической и ветровой турбины напрямую контролируется рабочим циклом и регулированием звена постоянного тока. Напряжение регулируется на определенном значении в блоке управления системой максимального отслеживания мощности (ТММ) путем подачи импульса на переключатели S1 и S2 [28].
_ (Уйс М)Уд . Р — —_____ sin о
Q —
Х 20
(Удс М)Уд V/
—£2J~cosö-Y
(10) (11)
Управление инвертором становится возможным благодаря управлению амплитудой и фазой выходного напряжения инвертора с целью обмена активной генерирующей мощностью гибридной системы и обеспечения реактивной мощности. В методе управления сдвигом фазы активная и реактивная мощности могут быть выражены через уравнения (10 и 11), параметр X — это реактивное
сопротивление инвертора при подключении к сети, где М и 5 представляют коэффициент модуляции инвертора и угол мощности инвертора, соответственно. Как видно из этих уравнений, любое изменение значений М и 5 будет влиять на мощности Рту и Qinv, что приведет к зависимости от этих двух параметров. Тем не менее доказано, что Q зависит от М, а Р сильно зависит от 5 [29].
Выходная активная и реактивная мощности инвертора соответственно контролируются путем регулировки 5 и М для поддержания формы волны выходного тока инвертора в подходящем диапазоне стандартных критериев качества мощности, напряжение на звене постоянного тока конденсатора регулируется на фиксированном эталонном значении. Система освещения каждого полюса состоит из двух 12-вольтных батарей, соединенных последовательно, которые питают две 48-ваттные светодиодные лампы. Поскольку батареи напрямую подключены к низковольтной цепи постоянного тока понижающего преобразователя, требуемая опорная шина постоянного тока постоянно находится в определенном диапазоне напряжений (22В <батарея <26В), и S3 контролирует напряжение в понижающем преобразователе.
%
V
тмм
Vifc-Beiep kk-ветер
■кА
V (Ыи*-^ ТММ-1
Vidi* >0_£|Г-+
V-Ссылка
Vi
Компаратор
Р & Q Расчет
Qiarpjira
■В1»" ^ _с
-мз
Vi«
+
i Ссылка
WW
-►п ► г:
-►ти
Ссылка
Ншргжгшк Гсиграюр
51
52
^ Компаратор
ff s6
Т
АМЛ
Рис. 6. Система управления для предлагаемой гибридной системы
Fig.6. The method of control technique for the hybrid system Таблица 1 Режимы работы предлагаемой системы
Ргибрид> Рбатарея + Р 1 Р нагрузка Входная мощность может заряжать все батареи и обеспечивает нагрузку, а дополнительная мощность подводится к сети.
Phybrid Рбатарея + Р 1 Р нагрузка Суммирование мощности всех устройств может заряжать все батареи и обеспечивает нагрузку.
Phybrid Рбатарея Только входная мощность может заряжать батареи, а сетка питает нагрузку.
-Phybrid < Рбатарея Входная мощность не может заряжать все батареи, поэтому сетка подает нагрузку и заряжает батареи.
Рассмотрим возможность управления схемой и основной задачей системы для повышения надежности системы освещения, как показано в таблице 1, исследуются четыре различных режима работы.
Результаты моделирования
Гибридный анализ ввода / вывода предлагаемой системы был смоделирован программой PSIM, и были проанализированы характеристики зарядного устройства. Моделирование имеет четыре блока диаграмм и включает энергию ветра, солнечную энергию и батарею, как показано на рис. 7. Скорость ветра и инсоляция имеют тесную взаимосвязь с производством энергии в гибридной энергосистеме ветра и Солнца. Поэтому характеристики предложенной системы были проанализированы путем изменения этих элементов. Основные условия использования энергии ветра и солнечной энергии показаны в таблице 2. Инсоляция и скорость ветра варьировались для анализа выходных характеристик фотоэлектрической и ветровой энергии и управления ТММ.
Рис. 7. Simulink гибридного фотоэлектрического / ветрового.
Fig.7. Simulink of hybrid PV/wind system.
Кроме того, были проанализированы изменения напряжения аккумулятора для зарядки аккумулятора, характеристики постоянного напряжения и постоянного тока. На рис. 8 представлены выходные характеристики системы. На рис. 8 (а) скорость ветра была изменена с 12 [м / с] на 10 [м / с], а на рис. 8 (b) инсоляция была изменена на 800 [Вт / м2] с 1000 [м]. / с] при напряжении аккумулятора 24 [В].
В точке (а) на рис. 8 (а) скорость ветра изменяется. На этом этапе выходная мощность и ток ветра-генератора были снижены до 110 [Вт] с 300 [Вт] и до 4,23 [A] с 12,5 [A], соответственно. В точке (b) на рис.8 (b) инсоляция изменяется. На этом этапе выходная мощность и ток фотоэлектрических модулей были снижены до 60 [Вт] со 100 [Вт] и до 4,23 [A] с 12,5 [A], соответственно.
Таблица 2. Характеристики фотоэлектрического / ветрогенератора Table 2. Characteristics of a photovoltaic / wind generator
Фотоэлектрический модуль Ветрогенератор Модель
Модель -50 (Вт) Модель Суперветренны й 350 (Вт)
Напряжение Разомкнутой цепи 21 В Номинальное напряжение / ток 24 (В) / 12 (А)
Ток короткого замыкания 3,5 А Максимальна я мощность 400 (Вт)
Максимально е напряжение питания 18 А Начальная скорость ветра 3,5 (м/с)
Максимальны й ток мощности 2,9 А Номинальная скорость ветра 12,5 (м/с)
1000 Вт /м2, воздушная масса = 1,5, темп. = 22oC скорость ротора 500 - 1300 об/мин
На рис. 8(с) показаны выходные характеристики системы при изменении напряжения батареи с 23,8[В] до 28,0[В]. В точке (с) на рис. 8(с) напряжение батареи составляет 26,9[В]. В этот момент аккумулятор заряжается с постоянным контролем напряжения. 27,8[В] - это напряжение, при котором батарея полностью заряжена. Когда аккумулятор полностью заряжен, входной выключатель питания гибридной системы ветро-солнечной энергии отключается для защиты аккумулятора от перезаряда.
Результаты экспериментов
Прототип предлагаемой системы был построен и экспериментально протестирован, как показано на рис. 9. Условиями эксперимента являются скорость ветра (0-3м/с), инсоляция (400-800 Вт/м2), температура (20°С).
Результаты полевых испытаний показаны на рис. 10. На рис. 10 (а) показано напряжение от фотоэлектрических модулей, ветряных генераторов, батарей и светодиодного освещения. На рис. 10 (б) показаны их токи. Выходная мощность от каждого источника энергии показана на рис. 10 (с). Фотоэлектрический контроллер работал в режиме ТММ, отслеживая точку максимальной мощности фотоэлектрических модулей. Выходная мощность фотоэлектрических модулей увеличивалась с увеличением солнечной инсоляции.
(с) Переменное напряжение аккумуляторной батареи. Рис. 8. Результат моделирования. Fig.8.The simulation results.
Ш^Я
Рис. 9. Ветер / солнечная гибридная система питания на полигоне Сев ГУ на турбазе Горизонт Fig.9. Wind / solar hybrid power system in garizont
13:00 14:00 15:(М1
40 N зс я 20 1С 5 Щ 1Д. .
г ^и^Т
аккумулятор
Ь-ветер zZjw
\ к, \ -LE0M V JL
\Л * \ Л iW^v /Светодиодный уличный свет
(А) характеристика напряжения
13:00 14:00 15:0«
(б) Токовая характеристика
13:00 14:00 15:00
(c) Характеристика мощности Рис. 10. Результаты полевых испытаний (дневное время)
Fig.10.The results of the field test
Моделирование показывает, что текущий прототип в автономной конфигурации, смоделированный здесь, может обеспечить 61% часов работы с потребностями в освещении. Низкий уровень заряда батареи ограничит время работы. На рисунке 9 показан вклад источников ветра и солнца в задачу освещения гибридной системы в течение моделируемого года. Несмотря на низкую среднюю
скорость ветра (3,7 м /с), ветрогенератор играет фундаментальную роль зимой, как и ожидалось, когда солнечная энергия на горизонтальной панели резко падает на средних или высоких широтах.
ВЫВОДЫ
В настоящей статье была предложена, разработана и исследована гибридная система фотоэлектрических и ветроэнергетических установок, связанных с энергосистемой, с целью обеспечения системы освещения, активной мощности и компенсации реактивной мощности. Кроме того, были применены высокоточные и быстро реагирующие методы для максимального отслеживания мощности и управления в ветряных турбинах. Рекомендуемая система была смоделирована в различных условиях солнечного излучения и изменение скорости ветра. Результаты моделирования наводят на мысль о подходящем отклике системы управления, улучшении качества электроэнергии за счет обеспечения нагрузки реактивной мощностью. Соответствующая скорость и точность представленных изменений, и отсутствие трансформаторов являются достоинствами предлагаемой системы. Кроме того, предоставление мощности, необходимой для систем освещения при любых изменениях погоды, указывает на повышение надежности системы освещения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анализ производительности гибридных фотоветроэлектрических установок / Абд Али, Лаит Мохаммед А., Ф. М. Аль-Руфаи, Б. А. Якимович, В. В. Кувшинов // Энергетические установки и технологии. 2019. Т. 5, № 2. С. 61-68.
2. Абдали Л.М. АНАЛИЗ И моделирование автономной фотоэлектрической системы с использованием среды тайаЬ^тиИпк / Л.М. Абдали, Х.А. Исса, К.А. Али, В.В. Кувшинов, Э.А. Бекиров // Строительство и техногенная безопасность. — 2021. — № 21(73). — с.97-105. — DOI: https://doi.org/10.37279/2413-1873-2021-21-97-105.
3. Абдали Л.М., Аль-Руфаи Ф.М., Якимович Б.А., Кувшинов В.В., Исса Х.А., Мохаммед Х.Д. Комбинированная энергетическая установки для преобразования солнечной и ветровой энергии. международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2020» - Севастополь: СевГУ, 2020. с.21-28
4. Интеллектуальная система управления, используемая при работе ветроэлектрических установок /Л. М. Абдали, Ф. М. Аль-Руфаи, Б. А. Якимович,В. В. Кувшинов // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2021. Т. 24, № 1. С.102-112. DOL• 10.22213/2413-1172-2021-1-102-112
5. Абд Али Лаит Мохаммед, Хайдер Абдулсахиб Исса. Разработка элементов Smart Grid для оптимизации режимов районных сетей // Молодой ученый. 2014. № 8. С. 117-120.
6. Kuvshinov V.V., Abdali L.M., Kakushina E.G. Studies of the PV Array Characteristics with Changing Array Surface Irradiance. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 223-228. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040054.
7. Kuvshinov, V.V., Abd Ali, L.M., Morozova, N.V. et al. Experimental Studies on Receiving Surfaces of Flat Solar Collectors. Surf. Engin. Appl.Electrochem. vol. 57, no. 6, pp.715-720 (2021).https://doi.org/10.3103/S1068375521060089.
8. Cheboxarov V.V., Yakimovich B.A. Lyamina, N.V. Some Results of a Study of Wave Energy Converters at Sevastopol State University. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 256-259. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040029.
9. Vologdin S.V., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V. Analysis of Various Energy Supply Scenarios of Crimea with Allowance for Operating Modes of Solar Power Planta. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 229234. https://doi.org/10.3103/S0003701X1904008X.
10. Cheboxarov V.V., Yakimovich B.A., Abd Ali L.M. An Offshore Wind-Power-Based Water Desalination Complex as a Response to an Emergency in Water Supply to Northern Crimea. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 260-264. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040030.
11. Guryev V.V., Yakimovich B.A., Abd Ali L.M. Improvement of Methods for Predicting the Generation Capacity of Solar Power Plants: the Case of the Power Systems in the Republic of Crimea and City of Sevastopol. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 242-246. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040042.
12. Ahmed Mohmmed H., Anssari M.O.H., Abd Ali L.M. Electricity generation by using a hybrid system (photovoltaic and fuel cell). J. Eng. Appl. Sci., 2019, no. 14, pp. 4414-4418. doi.org/10.3923/jeasci.2019.4414.4418.
13. Layth Mohammed Abd Ali, Haider Ahmed Mohmmed and HusamAbdulhuseinWahhab. A Novel Design of 7-Level Diode Clamped Inverter. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2019, no. 14, pp. 36663673. doi.org/10.36478/jeasci.2019.3666.3673.
14. Kuvshinov V.V., Kolomiychenko V.P., Kakushkina E.G. Storage System for Solar Plants. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 3, pp. 153-158. https://doi.org/10.3103/S0003701X19030046.
15. Kuznetsov, N. P., Abd Ali, M. L., Kuvshinov, V. V., Issa, A. H., Mohammed, J. H., & Al-bairmani,G. A.. Investigation of the losses of photovoltaic solar systems during operation under partial shading. Journal of Applied Engineering Science, 2020, Vol. 18, No. 3,pp. 313 - 320. Doi :10.5937/jaes18-24460.
16. Abd Ali, L. M., Al-Rufaee, F. M., Kuvshinov, V. V. et al. Study of Hybrid Wind-Solar Systems for the Iraq
Energy Complex. Appl. Sol. Energy, 2020, vol. 56, no. 4, pp. 284-290.
https://doi.org/10.3103/S0003701X20040027.
17. Кувшинов, В., Абдали, Л., Морозова, Н., Крит, Б., Аль-Руфаи, Ф., & Исса, Х. (2021). Экспериментальные исследования приемных поверхностей плоских солнечных коллекторов. Электронная обработка материалов, 57(1), 75-81. DOI: 10.5281/zenodo.4456690
18. Оценка потенциала ветроэнергетических ресурсов на юге Ирака / Ф. М. Аль-Руфаи, Л. М. Абдали, В. В. Кувшинов, Б. А. Якимович // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2020. Т. 23, № 3. С. 105-113. DOI: 10.22213/2413-1172-2020-3-105-113
19. Abd Ali L.M., Ahmed Mohmmed H., Anssari M.O.H. Modeling and simulation of tidal energy. J. Eng. Appl. Sci, 2019, no. 14, pp. 3698-3706. DOI: 10.36478/jeasci.2019.3698.3706
20. Абдали Л. М., Аль-Руфаи Ф. М., Исса Х.А., Мохаммед Х.Д., Якимович Б.А., Моделирование и контроль энергии ветра, X Всероссийская научно-практическая конференция "Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов", - Томск: ТПУ, 22-24 апреля 2020 г., с. 14-19.
21. Абдали Л.М. Моделирование параметров управления интегрированной системой солнечной генерации и накопления энергии / Л.М. Абдали, В.В. Кувшинов, Э.А. Бекиров, Ф.М. Аль-Руфаи // Строительство и техногенная безопасность. — 2020. — № 18(70). — c.133-142. — DOI: 10.37279/24131873-2020-18-133-142.
22. Issa H.A., Mohammed H.J., Abdali L.M., Al Bairmani A.G., Ghachim M. Mathematical Modeling and Controller for PV System by Using ТММТ Algorithm.Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova, 2021, vol. 24, no. 1, pp. 96-101. DOI: 10.22213/24131172-2021-1-96-101
23. Belkaid, A.; Colak, I.; Kayisli, K. Implementation of a modified P&O-ТММT algorithm adapted for varying solar radiation conditions. Electr. Eng. 2017, 99, pp. 839846.
24. Оптимизация аккумулирования энергии в гибридных системах ветроэнергетики и фотовольтаики / Л. М. Абдали, Ф. М. Аль-Руфаи, Б. А. Якимович, В. В. Кувшинов // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2020. Т. 23, № 2. С. 100-108. doi: 10.22213/2413-1172-2020-2-100-108.
25. Абдали Л. М., Аль-Руфаи Ф. М., Мохаммед Х. Д., Якимович Б. А., Кувшинов В. В. Моделирование гибридной фото-ветроэнергетической системы с сетевым подключением. В сборнике: Возобновляемые источники энергии. Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием и XII научной молодежной школы, 2020, С. 117-128.
26. Исса Х. А., Абдали Л. М., Аль-Руфаи Ф. М., Мансор М. Ф., Мохаммед Х.Д., Моделирование фотоэлектрического модуля с помощью программы matlab, X Всероссийская научно-практическая
конференция "Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов", Томск: ТПУ, 22-24 апреля 2020, c.116-122.
27. Мохаммед, Х. Д., Абдали, Л. М., Исса, Х. А., Аль-Руфаи, Ф. М., Разработка обобщенной фотоэлектрической Модель с MATLAB использованием, X Всероссийская научно-практическая конференция "Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов", Томск: ТПУ, 22-24 апреля 2020,c.166-172.
28. Абдали, Л. М., Али, К. А., Кувшинов, В. В., Бекиров, Э. А., & Коровкин, Н. В. (2021). техника искусственного интеллекта для производства энергии и автоматизация управления гибридной солнечно-ветро-дизельной энергетической системой. Строительство и техногенная безопасность, (22 (74)), 91-100.
29. Моделирование режимов работы фотоэлектрической системы / Л. М. Абдали, Х. Д. Мохаммед,Б. А. Якимович, В. В. Кувшинов, Н. В. Коровкин, Д. Ф. Бордан // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2021. Т. 24, № 3. С. 78-87. DOI: 10.22213/2413-1172-2021-3-78-87
30. Моделирование и управление системой ветроэнергетики, связанной с сетью с использованием синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ) / Л. М. Абдали, Ф. М. Аль-Руфаи, Х. А. Исса, Б. А. Якимович // Актуальные проблемы электроэнергетики: Сборник научно-технических статей конференции, Нижний Новгород, 17 декабря 2021 года. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2021. - С. 299-308. -DOI: 10.46960/44170389_2021_299
31. Layth M. Abd Ali, L M., Ali, Q. A., Klackova, I., Issa, H. A., Yakimovich, B. A. and Kuvshimov, V. (2021) Developing a thermal design for steam power plants by using concentrating solar power technologies for a clean environment. Acta Montanistica Slovaca, Volume 26 (4), 773-783 DOI: https://doi.org/10.46544/AMS.v26i4.14
REFERENCES
1. AbdAli Laith Mohammed A., Al-Rufaee F.M., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V. [Performance Analysis of Hybrid Photo-Wind Turbines]. Energeticheskiyeustanovki i tekhnologii, 2019, vol. 5, no. 2, pp. 61-68 (in Russ.).
2. Abdali L.M. Analysis and simulation off-grid pv panels by using matlab / simulink environment / L.M. Abdali, H.A. Issa, Q.A. Ali, V.V. Kuvshinov, E.A. Bekirov // Construction and industrial safety. — 2021. — № 21(73). — p.97-105. — DOI: https://doi.org/10.37279/2413-1873-2021-21-97-105.
3. Abdali L.M., Al-Rufai F.M., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V., Issah.A., Mohammed h.D. [The generation power plant by using the combined of solar and
wind power]. mezhdunarodnoynauchno-
prakticheskoykonferentsii «Ekologicheskaya,
promyshlennaya i energeticheskayabezopasnost' - 2020» - Sevastopol': SevGU,, 2020. pp. 21-28(in Russ.).
4. Abdali L.M., Al-Rufaee F.M., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V. Smart Control System for the Wind Energy Networks // Vestnik IzGTU imeni M.T. Kalasnikova. - 2021. - Vol. 24. - N. 1 - P. 102-112. doi: 10.22213/2413-1172-2021-1-102-112
5. Abd Ali Laith Mokhammed, KhayderAbdulsakhibIssa. [Development of Smart Grid elements for optimizing regional network modes]. Molodoyuchenyy, 2014, vol. 8, pp. 117-120 (in Russ.).
6. Kuvshinov V.V., Abd Ali L.M., Kakushina E.G. Studies of the PV Array Characteristics with Changing Array Surface Irradiance. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 223-228. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040054.
7. Kuvshinov, V.V., Abd Ali, L.M., Morozova, N.V. et al. Experimental Studies on Receiving Surfaces of Flat Solar Collectors. Surf. Engin. Appl.Electrochem. vol. 57, no. 6, pp.715-720 (2021).https://doi.org/10.3103/S1068375521060089.
8. Cheboxarov V.V., Yakimovich B.A. Lyamina, N.V. Some Results of a Study of Wave Energy Converters at Sevastopol State University. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 256-259.https://doi.org/10.3103/S0003701X19040029.
9. Vologdin S.V., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V. Analysis of Various Energy Supply Scenarios of Crimea with Allowance for Operating Modes of Solar Power Planta. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 229234. https://doi.org/10.3103/S0003701X1904008X.
10. Cheboxarov V.V., Yakimovich B.A., Abd Ali L.M. An Offshore Wind-Power-Based Water Desalination Complex as a Response to an Emergency in Water Supply to Northern Crimea. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 260-264. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040030.
11. Guryev V.V., Yakimovich B.A., Abd Ali L.M. Improvement of Methods for Predicting the Generation Capacity of Solar Power Plants: the Case of the Power Systems in the Republic of Crimea and City of Sevastopol. Appl. Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 242-246. https://doi.org/10.3103/S0003701X19040042.
12. Ahmed Mohmmed H., Anssari M.O.H., Abd Ali L.M. Electricity generation by using a hybrid system (photovoltaic and fuel cell). J. Eng. Appl. Sci., 2019, no. 14, pp. 4414-4418. doi.org/10.3923/jeasci.2019.4414.4418.
13. Layth Mohammed Abd Ali, Haider Ahmed Mohmmed and HusamAbdulhuseinWahhab. A Novel Design of 7-Level Diode Clamped Inverter. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2019, no. 14, pp. 36663673. doi.org/10.36478/jeasci.2019.3666.3673.
14. Kuvshinov V.V., Kolomiychenko V.P., Kakushkina E.G. Storage System for Solar Plants. Appl.
Sol. Energy, 2019, vol. 55, no. 3, pp. 153-158. https://doi.org/10.3103/S0003701X19030046.
15. Kuznetsov, N. P., Abd Ali, M. L., Kuvshinov, V. V., Issa, A. H., Mohammed, J. H., & Al-bairmani,G. A. Investigation of the losses of photovoltaic solar systems during operation under partial shading. Journal of Applied Engineering Science, 2020, Vol. 18, No. 3,pp. 313 - 320. doi :10.5937/jaes18-24460.
16. Abd Ali, L. M., Al-Rufaee, F. M., Kuvshinov, V. V. et al. Study of Hybrid Wind-Solar Systems for the Iraq Energy Complex. Appl. Sol. Energy, 2020, vol. 56, no. 4, pp. 284-290. https://doi.org/10.3103/S0003701X20040027.
17. Kuvshinov, V.V., Morozova, N. V., Abd Ali, L. M., Krit, B. L., Al-Rufaee, F. M., & Issa, H.A. (2021). Experimental studies for the receiving surfaces of solar flat collectors. Электронная обработка материалов, 1(57), 75-81. http://doi.org/10.5281/zenodo.4456690
18. Al-Rufaee F.M., Abdali L.M., Kuvshinov V.V., Yakimovich B.A. Assessment of the Potential of Wind Energy Resources in Southern Iraq // Vestnik IzGTU imeni M.T. Kalasnikova. - 2020. - Vol. 23. - N. 3 - P. 105113. doi: 10.22213/2413-1172-2020-3-105-113.
19. Abd Ali L.M., Ahmed Mohmmed H., Anssari M.O.H. Modeling and simulation of tidal energy. J. Eng. Appl. Sci, 2019, no. 14, pp. 3698-3706. doi.org/10.3923/jeasci.2019.3698.3706.
20. Abdali L.M., Al-Rufai F.M., IssaKh.A., Mohammed Kh.D., Yakimovich B.A., [Modeling and control of wind energy], X Vserossiyskayanauchno-prakticheskayakonferentsiya
"Nauchnayainitsiativainostrannykhstudentov i
aspirantovrossiyskikhvuzov", - Tomsk: TPU, April 22-24, 2020, p. 14-19(in Russ.).
21. Abdali L.M. Development of the simulation and control system for an integrated solar energy generation and storage / L.M. Abdali, V.V..Kuvshinov, E.A. Bekirov, F.M. Al-Rufaee // Construction and industrial safety. — 2020. — № 18(70). — p.133-142. — DOI: 10.37279/2413-1873-2020-18-133-142.
22. Fazal, M.R.; Kamran, M.; ul Haq, I.; Abbas, Z.; Ayyaz, M.N.; Mudassar, M. Modified Perturb and Observe ТММТ algorithm for partial shading conditions. Int. J. Renew. Energy Res.2019, 9,721-731.
23. Belkaid, A.; Colak, I.; Kayisli, K. Implementation of a modified P&O-TMMT algorithm adapted for varying solar radiation conditions. Electr. Eng. 2017, 99, 839-846.
24. Abdali L.M., Al-Rufaee F.M., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V. Optimization of Energy Storage in Hybrid Wind and Photovoltaic Energy Systems // Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova. - 2020. - Vol. 23. - N. 2 - P. 100-108. doi: 10.22213/2413-1172-2020-2-100-108.
25. Abdali L.M., Al-Rufai F.M., Mohammed H.D., Yakimovich B.A., Kuvshinov V.V. Modeling of a hybrid photo-wind power system with a mains connection V sbornike: Vozobnovlyayemyye istochniki energii. Materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii s
mezhdunarodnym uchastiyem i XII nauchnoy molodezhnoy shkoly, 2020, S. 117-128. (in Russ.).
26. Issa H. A., Abdali L. M., Al-Rufai F. M., Mansor M. F., Mohammed H. D., [Modeling a photovoltaic module using the matlab program].X Vserossiyskayanauchno-prakticheskayakonferentsiya "Nauchnayainitsiativainostrannykhstudentov i aspirantovrossiyskikhvuzov", - Tomsk: TPU, April 22-24, 2020, pp. 116-122 (in Russ.).
27. Mohammed, H. D., Abdali, L. M., Issa, H. A., Al-Rufai, F. M., Development of a Generalized Photoelectric Model with MATLAB.X Vserossiyskayanauchno-prakticheskayakonferentsiya
"Nauchnayainitsiativainostrannykhstudentov i
aspirantovrossiyskikhvuzov", - Tomsk: TPU, April 22-24,
2020, pp. 166-172 (in Russ.).
28. Abdali L.M. The artificial intelligence technique for the energy generation and administration of the hybrid solar/wind/diesel power system/ L.M. Abdali, Q.A. Ali, V.V. Kuvshinov, E.A. Bekirov, N.V. Korovkin // Construction and industrial safety. — 2021. — № 22(74). — p.91-100. — DOI: 10.37279/2413-1873-2021-22-91100.
29. Abdali L.M., Mohammed H.J., Yakimovich B.A., et al. Modeling the Operating Modes of a Photovoltaic System // Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova. -
2021. - Vol. 24. - N. 3 - P. 78-87. DOI: 10.22213/24131172-2021-3-78-87
30. Modeling and control of a wind power system connected to the grid using a synchronous generator with permanent magnets (PMS) / L. M. Abdali, F. M. Al-Rufai, H. A. Issa, B. A. Yakimovich // Actual problems of the electric power industry: Collection of scientific and technical articles of the conference, Nizhny Novgorod, December 17, 2021. - Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva, 2021 .-- S. 299-308. -DOI: 10.46960/44170389_2021_299
31. Layth M. Abd Ali, L M., Ali, Q. A., Klackova, I., Issa, H. A., Yakimovich, B. A. and Kuvshimov, V. (2021) Developing a thermal design for steam power plants by using concentrating solar power technologies for a clean environment. Acta Montanistica Slovaca, Volume 26 (4), 773-783 DOI: https://doi.org/10.46544/AMS.v26i4.14
CrpoHTeflbCTBO h TexHoreHHaa 6e30nacH0CTb №25(77) - 2022
DESIGN AND STUDY OF OPERATING MODES OF COMBINED SOLAR-WIND INSTALLATIONS TO PROVIDE STREET LIGHTING
Abdali L. M.1, Issa H.A.2, Al-Maliki M.N.3, Kuvshinov V.V.4, Bekirov E.A.5
1Sevastopol State University, Institute of Nuclear Energy and Industry, 7, Kurchatov Avenue, Sevastopol, 299015,
Russia, E-mail: laith_2210@yahoo.com 2Sevastopol State University, Institute of Nuclear Energy and Industry, 7, Kurchatov Avenue, Sevastopol, 299015,
Russia, E-mail: haeder.issa84@gmail.com 3Sevastopol State University, Institute of Nuclear Energy and Industry, Kurchatov Avenue, 7, Sevastopol, 299015,
Russia, E-mail: hassamal817@gmail.com 4Sevastopol State University, Institute of Nuclear Energy and Industry, Kurchatov Avenue, 7, Sevastopol, 299015,
Russia, E-mail: kuvshinov.vladimir@gmail.com 5 V.I. Vernadsky Crimean Federal University, 295007, Simferopol, Prospect Academic Vernadsky 4, Russia,
bekirov.e.a@cfuv.ru
Abstract. An innovative hybrid microgeneration unit based on renewable energy sources has been proposed, which was developed for full integration into a specialized LED street lighting system. A key feature of this new system is the placement of several wind turbines in the very structure of the plant, and a photovoltaic panel is also integrated to generate electricity. Electricity is generated by energy conversion equipment along with a storage device that provides lighting even on calm nights. The main application of this project is stand-alone street lighting, but a grid-connected option is also possible, making the system compatible with microgrid concepts. A full-scale prototype of the lighting generator system was installed. A Matlab simulation was used to test the operating state of the proposed system for hybrid input power and battery voltage. The studies carried out have shown a significant efficiency in the generation of electrical energy when using a system for monitoring parameters and energy storage in wind and solar installations. The use of a hybrid wind-solar system makes it possible to effectively control the generation of electrical energy to maintain the required power values in the local network, as well as control over current, frequency and voltage. When using the proposed hybrid systems, the energy characteristics of installations are significantly increased, generation and the ability to accumulate a significant amount of electrical energy increase. The possibilities of increasing the efficiency of the operation of wind-solar hybrid systems for converting the energy of the wind flow and solar radiation will help to significantly increase the environmental component during the operation of large energy complexes in large cities and resort and recreational systems.
Subject of study. Combined wind-solar installations for providing street lighting.
Materials and methods. This article simulates a hybrid system consisting of a solar photovoltaic system, a wind generator. Highly accurate and responsive methods have been applied to maximize power tracking and control in wind turbines. The recommended system was simulated under various conditions of solar radiation and changing wind speeds.
Results. A hybrid system of photovoltaic and wind power power connected to the power grid is developed and analyzed to provide a system of lighting, active power and reactive power compensation.
Finding. The conducted studies have shown significant efficiency of electrical energy generation when using the parameter control and energy storage systems in wind and solar installations, and the simulation results suggest a suitable response of the control system, improving the quality of electricity by providing a load of reactive power. The corresponding speed and accuracy of the presented changes, and the absence of transformers are the advantages of the proposed system. In addition, the presented powers are necessary for lighting systems in any weather changes, studies indicate an increase in the reliability of lighting systems.
Key words: wind-solar hybrid plant, microgeneration, control system, street lighting, photo converters.
