CC BY
120
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2018, том 61, №4_
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 620.92:620.97
Академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, М.А.Салиев, Э.Джураев
РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СТАНЦИИ ДЛЯ ЗАГОРОДНОГО ДОМА
Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан
В работе приведены результаты расчёта параметров автономной солнечной электрической станции на основе двухступенчатого суточного графика нагрузки станции с учетом номинальной мощности и времени работы типовых бытовых приборов, установленных в загородном доме с суточным расходом энергии 4.8 кВтч.
Ключевые слова: солнечная электрическая станция, фотоэлектрический модуль, инвертор, аккумуляторная батарея, мощность, выработка энергии.
Внедрение новых инновационных технологий получения, хранения и применения энергии на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится одним из приоритетных направлений развития энергетики [1]. Использование ВИЭ, в первую очередь солнечной энергии, является наилучшей альтернативой для удаленных от электросетей горных регионов Таджикистана, где подведение электричества требует высоких финансовых и трудовых затрат [2]. Из-за высокой стоимости электрических сетей и небольших нагрузок, эксплуатация электросетей в удаленных горных регионах экономически не оправдана. Используя автономные солнечные электрические станции (АСЭС), можно снабжать электроэнергией небольшой загородный дом, дачу, спортивные площадки, узлы связи и других потребителей.
Цель данной работы заключалась в расчете параметров автономной солнечной электрической станции, выдачи рекомендации по составу оборудования и эксплуатации АСЭС для круглогодичного обеспечения электроэнергией типового загородного дома с энергопотреблением 4.8 кВт.ч в сутки.
АСЭС состоит из солнечных модулей (СМ) необходимой мощности для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию; контроллера заряда и разряда аккумулятора батарей (АБ) для приведения плавающего напряжения СМ и АБ к стабильному напряжению и зарядки АБ; автономного инвертора напряжения для преобразования постоянного тока в переменный 220 В; АБ для аккумулирования и хранения электроэнергии; бытовых электроприборов, питающихся от АСЭС
[3].
Расчет параметров АСЭС проведен по методике, описанной в работе [4] для условий, когда для приготовления пищи и отопления дома в осенне-зимний период используется традиционное топливо (уголь, дрова, газ).
Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунавварович. 734025, Республика Таджикистан, г.Душанбе, ул. Рудаки, 33 а, Центр инновационного развития науки и новых технологий АН РТ. E-mail: [email protected]
Перечень электроприборов в доме, которые будут использовать электроэнергию от АСЭС, номинальное напряжение, мощность прибора, время работы, электропотребление каждого прибора в сутки и их общая суммарная мощность приведены в табл.1. Суточное энергопотребление приборов составляет 4800 Вт.ч. В качестве основной шины питания принята шина с напряжением = 48 В, соответствующим напряжению аккумуляторной батареи АСЭС.
Потребители подключаются к основной шине питания АСЭС через повышающий импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) или индивидуальные автономные инверторы напряжения (АИН).
График изменения нагрузки за сутки составляется в виде таблицы (табл. 2). Суммарные мощности нагрузок на выделенных интервалах времени рассчитываются по формуле
Р = Vм р
где N - число потребителей, включенных в сеть нау-м интервале времени.
Таблица 1
Перечень электроприборов и их энергопотребление за сутки
№ п/п Нагрузка Напряжение, мощность Мощность на основной шине, Вт Время работы, ч/сут. Энергопотребление, Вт.ч/сут.
1. Электрический чайник ~220 В, 1200 Вт 1500 0.25 375
2. СВЧ-печь ~220 В, 1200 Вт 1500 0.25 375
3. Холодильник ~220 В, 150 Вт 200 12 2400
4. Телевизор, LED ~220 В, 40 Вт 50 6 300
5. Освещение зала =24 В, 100 Вт 100 4 400
6. Освещение кухни и санузла = 12 В, 50 Вт 50 5 250
7. Компьютер (ноутбук) = 12 В, 70 Вт 70 7 490
8. Зарядное устройство = 12 В, 30 Вт 30 7 210
Итого 3500 4800
Принимаем за интервал дневного времени суток: летом А^дв = 14 ч (с 6.00 до 20.00), зимой At№ = 8 ч (с 8.00 до 16.00). Выходная мощность автономной солнечной электростанции определяется как максимальная мощность нагрузки за интервал летнего дневного времени суток по формуле:
Рн = max {Pnj}, j = 1,М,
где M - число выделенных интервалов времени, входящих в интервал летнего дневного времени суток. Согласно табл. 2, выходная мощность автономной солнечной электростанции составляет Рн = 1750 Вт, которая будет использоваться для расчета мощности солнечной батареи АСЭС. Рн - номинальная мощность нагрузки; ин - номинальное напряжение нагрузки; А^нв - интервал ночного времени суток (в летнее время А^нв = 10 ч, зимой - Atm = 16 ч); А^дв - интервал дневного времени суток.
Таблица 2
График изменения нагрузки за сутки
№ п/п Нагрузка Мощность нагрузки в интервалах времени, Вт
С 700 до 705 С 705 до 710 С 710 до 800 С 800 до 1200 С 1200 до 1205 С 1205 до 1210 С 1210 до 1400 С 1400 до 1700 С 1700 до 1705 С 1705 до 1710 С 1710 до 1900 С 1900 до 2300 С 2300 до 700
1. Электрический чайник 1500 1500 1500
2. СВЧ-печь 1500 1500 1500
3. Холодильник 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200
4. Телевизор 50 50 50
5. Освещение зала 100
6. Освещение кухни, туалета 50 50 50 50 50 50 50 50 50
7. Компьютер (ноутбук) 70 70
8. Зарядное устройство 30 30
Итого 1750 1750 300 300 1750 1750 300 300 1750 1750 300 300 200
Ток основной шины, А 37.5 37.5 6.3 6.3 37.5 37.5 6.3 6.3 37.5 37.5 6.3 6.3 4.2
Расчет емкости аккумуляторной батареи АСЭ. Энергия (энергоемкость) аккумуляторной батареи определяется как произведение ее емкости на номинальное напряжение [4]. В общем случае нагрузка АСЭС непостоянная, то есть изменяется во времени. Изменение нагрузки согласно табл. 2 в интервале ночного времени суток (с 1600 до 800) можно аппроксимировать двухступенчатым графиком. Для упрощения графика нагрузка представляется двумя значениями Рн\ = 1750 Вт и Рн2 = 300 Вт и пятью интервалами времени. Объединяя представленные на графике (табл. 2) интервалы времени с одинаковыми значениями нагрузок, получаем двухступенчатый график изменения нагрузки [4]. Интервалы времени Д^ и Дt2, определенные как сумма интервалов времени с нагрузкой Рн1 и Рн2, соответственно, равны Д^ = 1/3 ч и Д^ = 15 (2/3) ч. На первом и втором интервале времени расход емкости АБ, соответственно определяется как
ДС1= (Рн1 / и) Д^ и ДС2 = (Рн2 / и) Д2 Учитывая, что ДС = ДС1 + ДС2, выражение для емкости АБ примет вид:
Сн = (100/^рин))(Рн1Д^ + Рн2 Д12),
где ин - номинальное напряжение нагрузки (ин= 48 В).
Степень разряженности АБ определяется как:
Sр= ((Сн - Стт)/Сн)100% = (ДС/Сн) 100% и задается Sр = 70%.
Сн = (100/(70*48 В))(1750 Вт.ч/3+ 300 Вт.ч *(15+2/3)) = = (0.03/В)*(583.3 + 4700) Вт.ч = 158.5 А.ч « 160 А.ч.
Расчетная емкость аккумуляторной батареи АСЭС составляет 160 А.ч.
Число последовательно включенных одиночных АБ п в ветви
п =ин /иаб = 48 В/12 В = 4, где иаб - напряжение отдельной АБ. Число параллельных ветвей т АБ:
Саб= 160А.ч т = Сн/Саб =160А.ч/ 160 А.ч = 1
Тогда общее число отдельных АБ соответствует т = 1; N = пт = 4*1 = 4; энергоемкость отдельной АБ Wаб = Сабиаб =160А.ч* 12 В= 1920 ВА.ч; энергоемкость всех АБ W = Снин = 160 А.ч*48 В= 7680 ВА.ч.
Для определения общего числа одиночных аккумуляторных батарей, входящих в аккумуляторную батарею АСЭС, используется также выражение:
N = W / Wаб = 7680 ВА.ч / 1920 ВА.ч = 4.
Расчет мощности зарядного устройства АСЭС. Для заряда 12-вольтового аккумулятора (иаб = 12 В) необходимо иметь максимальный ток заряда 1тах,зар = 0.2С/1 ч и максимальное выходное напряжение зарядного устройства итах,зар = 16.5 В. В общем случае аккумуляторная батарея АСЭС состоит из п последовательно включенных одиночных аккумуляторных батарей. Выходная мощность зарядного устройства равняется:
Рзу п 1тах,заритах,зар 1.375 п 1 тах,зариаб.
При иаб = 12 В; С = Саб =160 А.ч; п = 4; 1тах,зар = 0.2С/1 ч = 32 А получим
Таблица 3
Рзу = 1.375 х 4 х 0.2 х 160А х 12В = 2112 Вт.
Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации в ряде городов Республики Таджикистан кВт.ч/м2 [5].
Город широта I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
Душанбе* 38.3° 60.0 77.8 111.0 145.3 193.6 227.2 233.6 210.6 168.6 115.0 74.4 52.2 1668
2.00 2.78 3.58 4.84 6.25 7.57 7.54 6.79 5.62 3.71 2.48 1.68 4.57
Кайраккум* 40.1° 59.4 77.8 116.1 155.8 200.6 231.4 233.1 211.1 166.9 113.3 68.1 45.6 1679.7
1.98 2.78 3.75 5.19 6.69 7.71 7.52 6.81 5.56 3.65 2.27 1.47 4.6
Курган-Тюбе 37.5°* 52.2 74.4 108.1 146.7 191.9 225.6 232.5 228.6 171.1 118.6 73.3 47.8 1670.8
1.74 2.66 3.49 4.89 6.40 7.52 7.50 7.62 5.7 3.83 2.44 1.54 4.58
Хорог* 38.3° 69.5 90.5 136.0 183.6 216.3 234.5 228.1 192.8 167.2 117.1 80.8 62.1 1778.6
2.32 3.23 4.39 6.12 6.98 7.82 7.36 6.22 5.57 3.78 2.69 2.0 4.87
*в числителе среднемесячная, в знаменателе среднесуточная сумма солнечной радиации на горизонтальной поверхности земли.
Для отдельного заряда аккумуляторных батарей потребуется п зарядных устройств в п раз меньшей мощности.
п = 4; Рзу / п = 2112 Вт/4 =528 Вт.
Расчет мощности основной шины АСЭС. Пропускная мощность основной шины АСЭС определяется как сумма мощностей нагрузки и заряда аккумуляторной батареи:
Р = р +р /п
А ош А н А зу ' 1 |зу ,
где Рн - мощность нагрузки АСЭС; Рзу - мощность зарядного устройства АСЭ; пзу - КПД зарядного устройства АСЭС.
Рош = 1750Вт + 2112 Вт /0.8=4390 Вт = 4.39 кВт.
Расчет мощности солнечных батарей АСЭС. Модуль мощностью Р№ в течение выбранного периода выработает следующее количество энергии:
W = к Е Р„ / 1000,
где Е - значение инсоляции за выбранный период; к - коэффициент, равный 0.5 и 0.7 в летний и зимний периоды соответственно. Он делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течение дня.
Для выбора СБ необходимы данные по среднемесячной инсоляции солнечного излучения в данной местности, где будет использована АСЭС. Среднемесячные и среднегодовые значения суммарной солнечной радиации определяются по данным метеостанций, расположенных в долинных и горных регионах РТ (табл. 3) [5].
Суммарная мощность потребляемой энергии согласно табл.1 - 1750 Вт. Летом в полдень при пиковой КПД необходимое количество модулей
1750 Вт/150 Вт к 12.
Для круглогодичной работы АСЭС необходимо большее количество модулей. Для г.Душанбе и его окрестностей в Гиссарской долине согласно табл.3 суточная инсоляция для декабря - Е = 1680 Вт/м2. Выработка одного модуля Р„ = 150 Вт при к = 0.7 составляет:
W = 0.7 х 1680 Вт.ч/м2 х 150 Вт/1000Вт = 176 Вт.ч. Количество модулей для загородного дома с потребление 4800 Вт.ч.составит
4800 Вт.ч/176 Вт.ч к 27.
Суточная инсоляция для июля для г.Душанбе и его окрестностей в Гиссарской долине согласно табл.3 составляет Е = 7540 Вт/м2.
Выработка одного модуля Р„ = 150 Вт при к = 0.5
W = 0.5 х 7540 Вт.ч/м2 х 150 Вт/1000 Вт = 565 Вт.ч.
Количество модулей для летней дачи находим из соотношения:
4800 Вт.ч/565 Вт.ч к 9.
В этом случае мощность солнечной батареи (150 Вт х 9 = 1350 Вт) меньше мощности нагрузки (1750 Вт). Недостающая мощность компенсируется АБ.
Расчет мощности инвентора. Мощность инвертора определяется путем увеличения на 30% максимальной суммарной мощности приборов, пересчитанной на основную шину (табл.2), и составляет:
1750 Вт х 1.3 = 2275 Вт.
Для круглогодичного использования солнечной энергии оптимальный угол наклона приемника в, относительно горизонтальной плоскости составляет около 400, равный географической широте местности.
Поступило 29.01.2018 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров Г.Н., Ахмедов Х.М., Каримов Х.С., Кабутов К. - Изв.АН РТ. Отд. физ-мат., хим., геол. и техн. н., 2009, № 4, с.112-124.
2. Ахмедов Х.М., Каримов Х.С. Солнечная электроэнергетика. - Душанбе.:Дониш, 2007, 179 с.
3. Виссарионов В.И. и др. Солнечная энергетика. - М.:Изд.дом МЭИ, 2008, 311 с.
4. Охоткин Г.П. - Вестник Чувашского университета, 2013, № 3, с.222-230.
5. Справочник по климату СССР. Выпуск 31, ч. 1.- Л.: Метеоиздат, 1966, 66 с.
^.М.Ахмедов, М.А.Салиев, Э.Джураев
ХИСОБИ НИШОНДИХДНДАХ,ОИ НЕРУГО^И БАРЦИ ОФТОБЙ БАРОИ
ХОНАИ БЕРУНШАХРЙ
Маркази рушди инновационии илм ва технологиями нави Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон
Натичахои хисоби нишондихандахои неругохи барки офтобй дар асоси речаи дузинагии сарбории шабонарузии неругох бо назардошти тавоноии номиналй ва давомнокии кори асбобхои баркии маишии дар хонаи беруншахрй истифодашаванда барои барктаъминкунй дар давоми тамоми сол бо истифодабарии шабонарузии энергияи барк 4.8 кВт.с оварда шудааст. Калима^ои калиди: истгоуи барци офтобй, модули фотоэлектрикй, инвертор, контроллер, батареяи аккумуляторй, тавоной, энергия.
Kh.M.Akhmedov, M.A.Saliev, E.Juraev CALCULATION OF PARAMETERS OF AUTONOMOUS SOLAR ELECTRIC STATION FOR COUNTRY HOUSE
Center for innovative development of science and new technologies Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
The results of the calculation of the parameters of an autonomous solar power station (ASPS) based on a two-stage daily load chart of the station are given, taking into account the nominal power and operating time of typical household appliances installed in a country house with a daily energy consumption of 4.8 kWh.
Key words: solar power station, photoelectric module, inventor, controller, accumulating battery, power, energy.
