CC BY
73
rdra)1
i \QQ/ *
УДК-621.3.031.8
СОЛНЕЧНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЗАРЯДКИ МАЛОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА
UDC-621.3.031.8
SOLAR CHARGING STATION FOR SMALL ELECTRIC TRANSPORT
Руденко Н. В., Лазина Н. Ю.
Донской государственный
технический университет, Ростов-на-Дону,
Российская Федерация
С целью разгрузки общественного транспорта,
Rudenko N. V., Lazina N. Yu.
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
[email protected] n-lazina@mail. ru
It is proposed to create a network of solar charg-
уменьшения числа пробок, улучшения эколо- ing stations for small electric vehicles to relieve гической обстановки в крупных городах и со- public transport, reduce the number of traffic хранения её в курортных городах России jams, improve the environmental situation in предложено создать сети солнечных станций large cities and preserve it in the resort cities of зарядки малого электротранспорта. Представ- Russia. A methodology for calculating such sta-лена методика расчёта эффективности таких tions efficiency is proposed. The structural станций. Обоснована структурная схема, вы- scheme is substantiated; the calculation and selec-полнен расчёт и выбраны элементы структур- tion of the elements of the structural diagram of ной схемы типовых станций для г. Сочи и г. typical stations for Sochi and Moscow are made. Москвы. Показано, что за основу расчёта це- It is shown that for the basis of the calculation it лесообразно принять мощность приёмников и is advisable to take the power of the receivers and время бесперебойного энергообеспечения в the time of uninterrupted power supply in the ab-период отсутствия солнечного света для под- sence of sunlight for recharging the storage bat-зарядки аккумуляторных батарей. Расчёт про- teries. The calculation was carried out with the ведён с условием среднемесячного потребле- condition of average monthly consumption and ния и запаса надёжности в два дня без актив- safety margin in two days without active sun. An ного солнца. Выполнен примерный расчёт approximate calculation of the cost of electrical стоимости электрооборудования этих станций, equipment of these stations is made, measures are предложены меры для развития сети таких proposed for the development of the network of станций. the proposed stations.
Ключевые слова: экология городов, Keywords: ecology of cities, bicycle infrastruc-велоинфраструктура, солнечные станции, ture, solar stations, charging of small electric зарядка малого электротранспорта, расчёт и transport, calculation and selection of elements. выбор элементов.
Введение. В настоящее время проблема загруженности улиц и магистралей является актуальной для многих городов России. По данным сервиса «Яндекс. Пробки», самым «пробочным» городом является Москва, а самые сильные заторы фиксировались там примерно с 17.00 до 18.30. Второе место в рейтинге «Яндекса» три с лишним года назад занял Екатеринбург. Далее шел Новосибирск. Четвертое место заняла Самара, но в вечернее время по уровню пробок ее обходил Санкт-Петербург. В топ-9 самых «пробочных» городов, по версии «Яндекса», попали также Ростов-на-Дону, Краснодар, Омск и Казань [1].
Кроме этого, очевидный вред здоровью человека, растительности, животным, а также почве и водным ресурсам приносят выхлопные газы автомобилей, которые представляют собой сочетание 200-300 химических соединений. Выхлопные газы отрицательно влияют на организм людей в
больших городах, особенно в многочасовых пробках, в районах магистралей и крупных дорожных развязок.
Департамент транспорта правительства Москвы предлагает в качестве одного из решений этой проблемы организацию велоинфраструктуры. В ближайшие годы в столице могут построить сотни километров велодорожек и серьезно пересмотреть организацию движения по дорогам, сместив баланс в пользу пешеходов. В случае успешного хода проекта к концу десятилетия проникновение велотранспорта увеличится в 25 раз по сравнению с 2013 годом и достигнет 1-2 % от общего числа поездок по городу. К 2030 году эта доля может увеличиться до 5 %, то есть на велосипеде будет совершаться каждая двадцатая поездка. Помимо этого, преобразование улиц будет способствовать развитию предпринимательства, а возможность перемещаться по городу на велосипеде разгрузит общественный транспорт и уменьшит число пробок [2].
В последнее время на городских дорогах появился малый электротранспорт, который имеет следующие достоинства: не надо нести расходов на ГСМ и обслуживание, проходить ТО, получать права и платить налоги, такой транспорт можно хранить дома и не бояться за его сохранность, он легко закатывается в подъезд и входит в лифт (в основном, такие средства — складные и удобны как при транспортировке в обычном транспорте, так и при размещении в домашних условиях), зарядка от электрической сети 220 вольт, т.е. от обычной розетки, прост в обслуживании, не требует специальных навыков в ремонте и установке дополнительного оборудования. Однако с учётом ограниченного запаса хода от аккумуляторов малой ёмкости (не более 20 км) решение указанной задачи не может быть полным без построения сети станций зарядки малого электротранспорта [3].
В настоящее время отсутствуют сети станций зарядки малого электротранспорта в городах, где загружены улиц, а также в курортных городах и зонах отдыха, где в целях защиты природы ограничено автомобильное движение. Целью данного исследования является разработка предложений по созданию солнечной станции для зарядки малого электротранспорта (ССЗМЭТ).
Требования к ССЗМЭТ должны быть следующие:
— возможность работы круглосуточно и круглый год;
— возможность работы независимо от погодных условий;
— возможность одновременной зарядки до двух электровелосипедов;
— обеспечение надежности оборудования.
При расчёте целесообразно использовать известную методику [4, 5]. Солнечная станция состоит из солнечной батареи, контроллера уровня зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) и инвертора. Расчёт солнечной батареи относится к многофакторным расчётам, т.е. изменение одного показателя в цепочке приводит или к изменению всей системы, или к введению в систему новых элементов. За основу расчёта принимаются мощность приёмников и время бесперебойного энергообеспечения в период отсутствия солнечного света для подзарядки АКБ. Расчёт ведётся при условии среднемесячного потребления энергии и запаса надёжности в два дня без активного солнца.
Пример расчёта. Исходные данные:
— освещённость солнечной панели: ГС=9,68 часа в сутки (г. Сочи, средняя за год), получена как среднее арифметическое за 12 месяцев с учетом среднесуточного количества солнечных часов, представленных на рис. 1 [6];
Рис. 1. Усреднённое количество часов за день, в течение которых
прямые солнечные лучи достигают поверхности земли в г. Сочи
— освещённость солнечной панели: ТМ=5,725 часа в сутки (г. Москва, средняя за год); получена как среднее арифметическое за 12 месяцев с учетом среднесуточного количества солнечных часов, представленных на рис. 2 [7];
ки;
янв феЕ мар апр май нон кол эвг оен опт тоя дек
Рис. 2. Усреднённое количество часов за день, в течение которых прямые солнечные лучи
достигают поверхности земли в г. Москве
— два электровелосипеда мощностью РЭВ=250 Вт каждый, заряжаются ТЗ=22 часа в сутки;
— осветительные приборы общей мощностью Р ОСВ=200 Вт, работают ТОСВ=6 часов в сут-
— КПД инвертора Пи=0,93 [8];
— характеристики одной аккумуляторной батареи: ёмкость СА=200 А*ч, напряжение на разомкнутых зажимах UA=12 В [9];
— уровень зарядки АКБ а=0,7;
— характеристики одного фотоэлектрического модуля: мощность РФЭМ=200 Вт, напряжение ифэм=24 В, габариты [ВхГхШ], см — 158x3.5x81 [10].
Суммарная мощность приёмников:
Р = 2Р + Р = 700Вт
1 пр ^ эв ^ 1 осв '1 •
Расход энергии в сутки:
Wc = Рэв • Тз + Росв • Тосв = 12200Вт • ч.
Для точного расчёта требуется учитывать вероятность одновременного использования приборов, пиковые и реактивные нагрузки или распределение нагрузки в течение суток. По суммарной мощности потребителей 700 Вт выбираем инвертор МАП Pro 24В мощностью 2,0 кВт (с перспективой роста и компенсации неучтённых нагрузок) [8]. Входное напряжение инвертора иИН-в =24 В.
Полная суточная токовая нагрузка на инвертор с учётом КПД инвертора:
W
бн =-и— = 546'59А • ч.
Ли •иннв
Эта величина важна для определения количества АКБ, тока подзарядки и надёжности системы.
Для обеспечения двухдневного энергоснабжения токовая нагрузка увеличивается в два раза, при этом учитывается допустимая глубина разрядки батарей а=0,7. Получаем суммарную токовую нагрузку:
Qz= 2 • бн • а=765,23А • ч.
С учётом ёмкости одной аккумуляторной батареи С А=200 А*ч можно получить число блоков батарей на напряжение 24 В (напряжение инвертора):
N = = 3,83.
Б C
A
Округляем до большего целого числа 4. Для того чтобы получить напряжение на выходе аккумуляторного модуля (для электропитания инвертора), равное 24 В, необходимо в одном блоке соединить две батареи последовательно. В итоге получается 4 параллельно соединённых блока из двух батарей каждый. Всего #АКБ=8 аккумуляторов.
В дополнение к нагрузке потребителя необходимо добавить нагрузку, учитывающую подзарядку батарей. Она составляет 10 % суммарной запасаемой энергии аккумуляторного модуля [4]. Суммарная запасаемая энергия аккумуляторного модуля:
W^M = ^акб • Са Ua = 19200Вт • ч.
Мощность на подзарядку батарей:
AWm = Wam • 0,1 = 1920Вт • ч.
Следовательно, суммарная среднесуточная потребляемая энергия:
Wm =Wam + AWm = 21120Вт •ч.
Также потери электроэнергии могут возникать из-за сильного нагрева модуля (составляют 4-8 %) и из-за наличия грязи на солнечных панелях или их потемнений (1-3 %) [5]. Примем общие потери в блоке солнечных модулей за 10 %, тогда суммарная среднесуточная вырабатываемая солнечными батареями энергия:
WEB = 1,1-Wm = 23375Вт • ч.
Расчёт количества солнечных модулей выполняется для ССЗМЭТ, которые могут быть размещены в г. Сочи и в г. Москве. Для обеспечения солнечной станции энергией в г. Сочи солнечная батарея должна за время освещённости (9,68 часа) выработать среднесуточную потреб-
ность в электроэнергии (23375 Вт*ч). Следовательно, блок из солнечных модулей (с выходным напряжением 24 В и мощностью 200 Вт каждый) должен состоять из следующего числа модулей:
N
T • P
±C 1 ФЭМ
= 12,04, т.е. из 12 модулей.
Аналогичным образом можно рассчитать число солнечных модулей для обеспечения солнечной станции энергией в г. Москве:
N
ФЭММосква
T • P
JM 1 ФЭМ
= 20,4, т.е. 20 модулей.
Для выбора контроллера заряда АКБ необходимо рассчитать максимальный ток заряда как отношение максимальной мощности блока солнечных модулей к напряжению на его выходе. С целью сокращения времени заряда АКБ солнечные модули целесообразно собрать по параллельно-последовательной схеме, чтобы выходное напряжение блока солнечных модулей и&ФЭМ=48 В. Тогда для станции в г. Сочи максимальный ток заряда АКБ:
N • Р
Т _ 1У ФЭМСочи 1 ФЭМ _ Л
1 ЗСочи = ~ = 50 А
U
БФЭМ
Аналогичным образом можно рассчитать максимальный ток заряда АКБ для станции в г. Москве:
Р
N • P
1 ФЭММосква ФЭМ = g^ 3А
U ~ ' '
Следовательно, для станции в Сочи целесообразно выбрать контроллер КЭС PRO MPPT 200/60, который способен принимать напряжение до 200 Вольт и выдавать зарядный ток до 60 А, а для станции в Москве целесообразно выбрать контроллер КЭС DOMINATOR MPPT 200/100, который способен принимать напряжение до 200 Вольт и выдавать зарядный ток до 100 А [11, 12]. Структурная электрическая схема ССЗМЭТ в Сочи представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная электрическая схема ССЗМЭТ в г. Сочи
По аналогии может быть составлена структурная электрическая схема ССЗМЭТ в Москве. В результате выполненных расчётов и выбора элементов структурной схемы можно составить перечни электрооборудования и определить примерную стоимость двух вариантов солнечных станций в Сочи и в Москве (представлены соответственно в табл. 1 и 2).
I \QQ/ *
Таблица 1
Перечень электрооборудования ССЗМЭТ в г. Сочи и его примерная стоимость
№ п/п Наименование блока Элементы Количество, шт. Цена за шт., руб. Стоимость, руб.
1 Блок солнечных модулей Фотоэлектрический модуль ФЭМ 20024 В 12 13900 166800
2 Контроллер заряда АКБ Контроллер КЭС PRO МРРТ 200/60 1 31500 31500
3 Блок АКБ Аккумуляторная батарея гелевая Volta GST 12-200 8 26700 213600
4 Инвертор МАП Pro 24В, 2кВт 1 32500 32500
ИТОГО — 444400
Таблица 2
Перечень электрооборудования ССЗМЭТ в г. Москве и его примерная стоимость
№ п/п Наименование блока Элементы Количество, шт. Цена за шт., руб. Стоимость, руб.
1 Блок солнечных модулей Фотоэлектрический модуль ФЭМ 20024 В 20 13900 278000
2 Контроллер заряда АКБ Контроллер КЭС DOMINATOR МРРТ 200/100 1 40900 213600
3 Блок АКБ Аккумуляторная батарея гелевая Volta GST 12-200 8 26700 213600
4 Инвертор МАП Pro 24В, 2кВт 1 32500 32500
ИТОГО — 565000
Выводы. Предложенная методика расчёта солнечных станций для зарядки малого электротранспорта может быть использована для расчёта аналогичных станций зарядки электромобилей. Для этого её необходимо дополнить устройством быстрого заряда.
Представленный перечень электрооборудования позволяет оценить стоимость всего проекта для его реализации.
Для развития сети солнечных станций зарядки малого электротранспорта целесообразны следующие меры:
— совмещение таких станций с пунктами проката;
— применение на выходе инвертора преобразователей для зарядки ноутбуков, телефонов и других мобильных гаджетов;
1 \QQ/ *
— автоматизация процессов оплаты и зарядки, а также выполнение оборудования в анти-вандальном варианте;
— размещение электрооборудования, особенно АКБ, в зимнее время в утеплённом помещении для устранения возможности саморазрядки.
Внедрение сети предложенных станций позволит разгрузить общественный транспорт, уменьшить число пробок, улучшить экологическую обстановку в крупных городах и сохранить её в курортных и туристических центрах России.
Библиографический список
I. Караваев, А. В. Россиянам измерили пробки. Эксперты назвали самые загруженные города России / А. В. Караваев [Электронный ресурс] / Газета.гц. — Режим доступа: http: // www.gazeta.ru/auto/2017/02/17_a_10530191.shtml (дата обращения: 10.03.18).
2.1 Стратегия 2020: 8 ключевых идей [Электронный ресурс] / Афиша. — Режим доступа: http://velo.afisha.ru/page10.html (дата обращения: 10.03.18).
3. Электрический велосипед [Электронный ресурс] / Википедия. — Режим доступа: htps://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 10.03.18).
4. Как рассчитать солнечную батарею? [Электронный ресурс] / ЭнергоСток. — Режим доступа: http://energystock.ru/solnechnye-batarei/raschet (дата обращения: 10.03.18).
5. Как произвести расчет солнечных панелей [Электронный ресурс] / Poluchi-Teplo.ru/ — Режим доступа: http://poluchi-teplo.ru/soln/kak-proizvesti-raschet-solnechnyih-paneley.html (дата обращения: 10.03.18).
6. Погода в Сочи по месяцам [Электронный ресурс] / Погода для туристов: прогнозы, статистика, анализ. — Режим доступа: http:// pogoda.turtella.ru/Russia/Sochi/monthly/ (дата обращения: 10.03.18).
7. Погода в Москве по месяцам [Электронный ресурс] / Погода для туристов: прогнозы, статистика, анализ. — Режим доступа: https://pogoda.turtella.ru/Russia/Moscow/monthly/ (дата обращения: 10.03.18).
8. Инверторы [Электронный ресурс] / Энергия. — Режим доступа: http:// www.invertor.ru/zzz/item/map_pro_24_2 (дата обращения: 10.03.18).
9. Гелевые аккумуляторные батареи [Электронный ресурс] / Энергия. — Режим доступа: http://www.invertor.ru/zzz/item/gst_12_200 (дата обращения: 10.03.18).
10. Солнечные батареи [Электронный ресурс] / Энергия. — Режим доступа: http:// www.invertor.ru/zzz/item/black_fe_mono_200_24 (дата обращения: 10.03.18).
II. Солнечные контроллеры [Электронный ресурс] / Энергия. — Режим доступа: http://www.invertor.ru/zzz/item/kes_pro_mppt_200_60 (дата обращения: 10.03.18).
12. Солнечные контроллеры [Электронный ресурс] / Энергия. — Режим доступа: http://www.invertor.ru/zzz/item/kes_dominator_mppt_200_100 (дата обращения: 10.03.18).
