CC BY
114
УДК 621.311.25
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК
А.С. Петрусёв, Е.Ж. Сарсикеев, Д.Ю. Ляпунов
Томский политехнический университет E-mail: science-alex@mail.ru, sarsikeev@tpu.ru, lyapunov@tpu. ru
В настоящее время значительная часть территории нашей страны не охвачена централизованным электроснабжением. В данных районах применяются преимущественно дизельные станции, которые характеризуются относительно высокой себестоимостью вырабатываемой ими электроэнергии. Учитывая достаточный гелиоэнергетический потенциал энергоизолированных регионов, применение солнечной энергии в целях энергоснабжения становится весьма актуальным. В данной работе рассматривается способ и средства повышения вырабатываемой солнечными установками в течение дня электроэнергии. Предлагается использовать разработанный солнечный трекер с активным типом слежения на основе платы управления без микроконтроллеров. Данная особенность позволяет использовать в составе электропривода коллекторный двигатель постоянного тока, что упрощает конструкцию. Рассмотрен принцип расчета параметров и выбора механизма поворота на примере конкретных солнечных панелей.
Ключевые слова:
Солнечная установка, солнечный трекер, фотоэлектрические модули, эффективность, электропривод.
На данный момент солнечная энергетика растет по экспоненциальной зависимости - объем введенных в эксплуатацию установок увеличивается с каждым годом на 25-35 %. Данный вид энергии имеет огромные перспективы, если принять во внимание, что полное количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли за год, составляет величину порядка (7,5-10)-1017 кВт-ч [1], тогда как нынешнее потребление энергии человечеством - около 0,0015^10 кВт-ч в год. В России солнечная энергетика также весьма эффективна, что подтверждают показатели среднегодовых поступлений солнечной энергии на такие области, как Астраханская, Ивановская, Ростовская, в которых они выше, чем в Италии, Испании, Германии (лидерах по объему установленных солнечных мощностей) [1].
Солнечные установки особенно актуальны в районах с децентрализованным электроснабжением, в которых применяются в основном дизельные установки. На данный момент это 70 % территории нашей страны, на которой проживает 20 млн человек. Стоимость вырабатываемой дизельными станциями электроэнергии крайне высока и достигает 50 руб. за кВт-ч в связи с постоянной потребностью в топливе. Только в Томской области годовое потребление дизельного топлива для дизельных электростанций составляет 25 тыс. тонн [2]. Поэтому в данных районах актуально использовать автономные солнечные электростанции, а также гибридные дизельно-солнечные станции, значительно снижающие потребность в необходимом топливе и аккумулирующих элементах.
К нынешнему моменту стандартные солнечные установки имеют несколько недостатков. К основным можно отнести довольно высокую стоимость солнечных панелей и относи-
Петрусёв Александр Сергеевич, студент Энергетического института ТПУ. E-mail: science-alex@mail.ru Область научных интересов: солнечная электроэнергетика, механика, привод, радиоэлектроника.
Сарсикеев Ермек Жаслано-вич, канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий Энергетического института ТПУ. E-mail: Sarsikeev@tpu.ru Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, устойчивость энергосистем, малая энергетика. Ляпунов Данил Юрьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института ТПУ. E-mail: lyapunov@tpu.ru Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, силовая электроника, теория автоматического
управления.
тельно невысокую эффективность сбора солнечной энергии в течение дня, особенно в утренние и вечерние часы.
Для решения первой проблемы предложено использовать акриловый концентратор, который описан в [3]. Он позволит снизить приблизительно в 5 раз объем необходимых фотоэлементов при той же выходной мощности, что значительно снизит стоимость системы в целом. Однако для работы данного концентратора необходим солнечный трекер.
Солнечный трекер - устройство, периодически ориентирующее солнечные панели или концентратор на солнце, в результате чего большее количество солнечных лучей достигают поверхности и вырабатывается больше электроэнергии. В [4] проведены расчеты и построения графика зависимости мощности, доходящей до солнечных панелей W(a), от угла падения а на них лучей (рис. 1).
100
10
°0 10 20 30 40 Я 50 60 70 80 90
Угол между нормалью к плоскости батареи и линиеи падения лучей (в градусах)
Рис. 1. Зависимость мощности панелей от угла падения на них лучей
Из графика можно сделать вывод, что при углах отклонения лучей от нормали к панелям до 15° мощность падает незначительно, но при отклонении в 90° мощность падает уже практически в 5 раз. При использовании солнечного трекера вырабатываемая в течение дня солнечными панелями мощность повышается примерно на 30 % [4]. Особенно заметен прирост в утренние и вечерние часы, которые как раз приходятся на пик электропотребления. Поэтому солнечный трекер эффективен не только для концентраторов, но и для стандартных солнечных панелей.
В работе предложена реализация солнечного трекера, имеющего преимущества в сравнении со своими аналогами. Основные преимущества с аналогами в России и странах СНГ приведены в табл. 1.
Таблица 1. Преимущества трекера перед аналогами
Солнечный трекер Угол поворота, град. Цена для 3,5 КВт батарей, тыс. долл. Увеличение мощности, % Регулировка вручную Сервисное обслуживание
Наша продукция > 200 3,4 32 имеется Дешевое, доступное, раз в 2 года
«Энергия Дисижн» (Челябинск, Омск), ED1500 150 6,8 28 отсутствует Дорогое, раз в 2 года
Flagma (Санкт-Петербруг),Ш-1000 150 8,5 28 отсутствует Дорогое, раз в 2 года
«Байкал-Энергия (Иркутск) 120 8,4 26 отсутствует Дорогое, раз в 2 года
«Солнечные батареи» (Украина) 180 6,2 30 отсутствует Дорогое, ежегодично
SAT Control (Словения), ST40M2V3P 100 4,0 20 имеется Дорогое, Раз в 2 года
Благодаря разработанной управляющей плате без использования микроконтроллеров в качестве электропривода можно использовать коллекторный двигатель постоянного тока, поэтому питание электропривода осуществляется напрямую от аккумуляторной батареи, которая заряжается от солнечных панелей. Отсутствие инвертора для питания трекера делает систему проще и дешевле. На управляющей плате также реализован способ регулировки времени между включениями и ручной настройки панелей в определенном направлении. Предлагаемые для трекера концевые выключатели обеспечивают большой угол поворота, позволяя эффективнее работать в утренние и вечерние часы. При этом простота конструкции и отсутствие программируемых частей задают высокий срок службы с низкой стоимостью сервисного обслуживания.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований с помощью физической модели солнечной панели [4] ведется работа по созданию полноразмерной установки суммарной мощностью 190 Вт.
Солнечная батарея представляет собой две солнечные панели установленной мощностью 95 Вт каждая. Для панелей сварена опорная рама массой 8 кг (рис. 2). Производство панелей г. Зеленоград, приобретены в компании «АэМэсЭнерго», г. Новосибирск.
Рис. 2. Солнечные панели на опорной раме
Основные параметры каждого модуля [5] приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристика панели
Параметр Значение
Мощность, Вт 95
Напряжение холостого хода, В 22,5
Напряжение при работе на нагрузку, В 18,52
Номинальное напряжение, В 12
Ток при работе на нагрузку, А 5,13
Габариты, мм 1209x539x35
Температура эксплуатации и хранения, °С -40...+85
Вес, кг 9
Расчет нагрузок электропривода батареи
Для выбора электропривода поворотного механизма произведен расчет максимального момента вращения используемой солнечной батареи.
Суммарный момент нагрузки будет определяться несколькими составляющими:
М = М + М + М .
тр дин ветра
Момент, обусловленный трением на оси вращения, находится по формуле
М = R ■ К ■ F ,
тр тр сум >
где Я - радиус вала вращения, равный для данной установки 0,014 м; Ктр - коэффициент трения в опоре, равный для условия «сталь по стали» 0,15; ^сум - суммарная сила, действующая на панель.
Суммарная сила, действующая на панель, определяется по выражению Е = у12602 + 71,42 = 269,63 Н,
сум у т лоб V ' ' '
где - сила тяжести панелей вместе с опорной рамой, равная 260 Н при массе солнечных панелей 18 кг и опорной рамы 8 кг; ^лоб - лобовое сопротивление ветра, с учетом работы [6] ^лоб = 71,4 Н.
Таким образом, момент трения будет равен
М = R■ К ■ F = 0,014■ 0,15■ 269,63 = 0,57Нм.
тр тр сум ? ? ? ?
Динамический момент, учитывающий влияние инерционной массы, определяется по выражению
М =£■ J ,
дин '
где е - угловое ускорение, для данной установки принимается равным 1 град/с2; 3 - момент инерции вращающихся частей, определяемый по формуле
т • Я2 26-0,62 2
л =-=-= 1,56 кгм .
6 6
Тогда
^ = ы,56 = 1,56 Нм.
дин ? ?
Момент, обусловленный ветровой нагрузкой, с учетом [6], равен
1042
М =-= 9,12 Нм.
ве 30,48 ■ 3,75
Таким образом, суммарный момент равен
М = 0,57 + 1,56 + 9,12 = 11,2 Н-м.
С учетом коэффициента запаса прочности в 30%
= 1,3 -11,2 = 14,56 Нм.
Таким образом, выходной вал электропривода должен выдерживать максимальный момент вращения не менее 14,56 Н-м.
Выбор электропривода
В качестве электродвигателя используется коллекторный двигатель со следующими параметрами:
1) напряжение питания 12В, что обусловлено номинальным напряжением солнечных панелей;
2) скорость вращения выходного вала приблизительно 1 град/сек (~ 0,17 об/мин) для обеспечения высокой точности ориентации;
3) мощность электродвигателя должна быть достаточна для создания вращающего момента: не менее 14,56 Н-м, но не более 50 Вт, так как при больших мощностях солнечный трекер начинает терять эффективность в связи с возрастающим избыточным энергопотреблением на поворот системы;
4) прочность выходного вала для выдерживания момента кручения не менее 14,56 Н-м.
Из-за требований к низкой скорости вращения и высокой прочности выходного вала
решено использовать мотор-редуктор, соединяющийся с выходным валом через червячный редуктор. Выбран мотор-редуктор IG-42GM компании «Электропривод», г. Санкт-Петербург [7], основные характеристики которого приведены в табл. 3 и габаритные размеры на рис. 3.
Таблица 3. Характеристика мотора-редуктора Ю-420М
Параметр Значение
Мощность, Вт 47
Скорость, об/мин 13,5
Максимальный крутящий момент, Н-м 3
Напряжение питания, В 12
Максимальный ток, А 5,5
Размеры, мм 45x45x141
Рис. 3. Габаритные размеры мотора-редуктора
Так как максимальный крутящий момент на валу двигателя 3 Н-м, а скорость 13,5 об/мин, то возникает необходимость использования дополнительного редуктора для снижения скорости вращения выходного вала и повышения крутящего момента.
Выбран червячный редуктор NMRV 30 компании «МехПривод», Москва [8], основные характеристики которого приведены в табл. 4.
Таблица 4. Характеристики червячного редукто
ра NMRV 30
Параметр Значение
Передаточное отношение 1:80
Максимальный крутящий момент, Н-м 19
Наружный диаметр, мм 14
Внутренний диаметр, мм 10
Размеры, мм 80x97x56
Скорость вращения выходного вала: 13,5/80 = 0,169 об/мин ~ 1 град/сек.
Необходимая мощность двигателя при скорости п = 0,169 об/мин ~ 0,00282 Гц:
Рмин = Ммакс ■ Ю = Ммакс ■ 2 ■ ^ ■ П = 0,26 Вт.
Мощность выбранного двигателя значительно больше минимального значения, поэтому основным критерием выбора является максимальный крутящий момент на выходном валу редуктора, равный 19 Н-м.
Выводы
Таким образом, для солнечной панели, состоящей из двух модулей, достаточно использовать мотор-редуктор марки IG-42GM, червячный редуктор NMRV 30, которые позволят осуществлять оптимальное регулирование поворота в течение светового дня с заданной точностью угла поворота.
Разработанные технические средства обеспечивают точность регулирования и запас прочности с учетом возможного климатического влияния.
Статья рекомендована к публикации по итогам работы VМеждународной молодежной конференции "Электроэнергетика глазами молодежи 2014".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виссарионов В.И., Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова. Солнечная энергетика. - М., 2008 - 317 с.
2. Саврасов Ф.В. Энергоэффективные автономные системы электроснабжения с фотоэлектростанциями. - Томск, 2013. - 21 с.
3. Petrusyov A.S. , Sarsikeyev E.Z. , Lyapunov D.Y. Energy-еfficient Photovoltaic Installation // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods and Tehnologies. - 2014. - № 8. - P. 399-404. - URL: http://www.scientific-publications.net/ru/article/1000188 (дата обращения: 10.01.2015)
4. Петрусёв А.С. , Юрченко А.В. Эффективный способ увеличения мощности солнечных установок // Физика. - 2014. - № 2 (960). - C. 4-8.
5. АэМэС-Энерго. - URL: http://ams-energo.ru (дата обращения: 10.01.2015)
6. Сарсикеев Е.Ж., Ляпунов Д.Ю., Бобихов Р.С., Петрусёв А.С. Визуальное моделирование ветровой нагрузки рефлектора параболической антенны связи в программном пакете ^msol Multiphysics // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. - C. 1-8. - URL: http://www.science-education.ru/117-r13668 (дата обращения: 10.01.2015)
7. НПФ «Электропривод». - URL: http://gearmotor.ru (дата обращения: 10.01.2015)
8. ООО «СпецТрейдИмпорт». - URL: http://www.mechprivod.ru (дата обращения: 10.01.2015)
Поступила 13.02.2015 г.
