Фотоэлектрические системы. Перспективы. Состав. Параметры

Вольтамперная кривая генератора имеет тот же вид, что и единичного модуля. Рабочая точка генератора, подключенного к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и температуры окружающей среды). Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности (и двигатель просто не запустится). Поэтому следующий важный компонент солнечных электрических систем — преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечный модуль с нагрузкой.

Регуляторы отбора максимальной мощности. Как правило, в этих регуляторах реализуется принцип поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Если при этом мощность на выходе прибора увеличивается, то положение рабочей точки изменяется в этом направлении при следующем шаге. Таким образом постоянно оптимизируется нагрузочная характеристика для отбора максимальной мощности, а также обеспечивается возможность регулировки в широком динамическом диапазоне и формирования импульсов тока, способных зарядить аккумуляторную батарею даже в условиях малой освещенности. Этот достаточно простой алгоритм может быть улучшен «запоминанием» часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки (для устранения шагов смещения в ложных направлениях), что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности.

На выходе регулятора формируются импульсы постоянного тока, ширина и частота следования которых зависит от мощности, производимой солнечным модулем в данный момент. При этом, если рабочее напряжение нагрузки меньше, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания модуля. Следует учитывать, что регуляторы имеют КПД 0,85…0,95. Самый большой выигрыш в мощности регулятор дает при работе модуля, собранного из 36 элементов, на аккумуляторную батарею с напряжением 12В при низких значениях температуры окружающей среды (рис. 6).

Аккумуляторные батареи.

Выработанную солнечными модулями энергию можно сохранять в разных формах:

• химическая энергия в электрохимических аккумуляторах;
• потенциальная энергия воды в резервуарах;
• тепловая энергия в тепловых аккумуляторах;
• кинетическая энергия вращающихся масс или сжатого воздуха в резервуарах.

Для фотоэлектрических систем больше подходят электрохимические аккумуляторы, т.к. солнечный модуль производит, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе. Исключение -с олнечные станции для водоснабжения, где потребляется вода (энергия хранится в потенциальной форме в водных резервуарах). Большинство фотоэлектрических систем используют свинцово-кислотные аккумуляторы. Основными условиями по выбору аккумуляторов являются:

• стойкость к циклическому режиму работы;
• способность выдерживать глубокий разряд;
• низкий саморазряд;
• некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;
• долговечность;
• простота в обслуживании.

Важный параметр переносных (или периодически демонтируемых) солнечных систем -компактность и герметичность. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, выполненные по технологиям «dryfit» и AGM (абсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1…12 000 Ач (что позволяет удовлетворять требованиям любых потребителей). Выделяющиеся при зарядке газы не выходят из аккумулятора, поэтому электролит не расходуется и обслуживание не требуется. Например, серия аккумуляторов SMG фирмы FIAMM (Италия) объединяет преимущества рекомбинационной технологии и обычных открытых батарей с трубчатыми положительными пластинами. Аккумуляторы имеют:

• длительный срок службы -15 лет;
• стойкость к циклическому режиму — более 1200 циклов;
• отсутствие необходимости обслуживания на протяжении всего срока службы;
• минимальное газовыделение (благодаря использованию сплава без сурьмы и применению технологии внутренней рекомбинации газа);
• отсутствие пуско-наладочных работ;
• саморазряд — приблизительно 3% в месяц.

Стоимость аккумуляторов и батарей такого типа составляет 150… 250 $/кВтч. Поэтому, при необходимости можно использовать обычные стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (25… 35 $/кВтч). Срок эксплуатации таких батарей в составе солнечной станции — не более 3…5 лет, поэтому за срок эксплуатации станции (15…20 лет и более) нужно будет заменять батареи (к этому добавятся затраты на обслуживание батарей и оборудование помещений). Если обслуживание проводит сам потребитель (а так бывает при использовании фотоэлектричества для электроснабжения отдельно стоящих удаленных жилых объектов — лесничества, дачные, сторожевые домики), то учитывая распространенность данного типа батарей, их применение в солнечных станциях оправдано. Для получения необходимого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом:

• применяют аккумуляторы только одного типа, выпущенные одним производителем;
• используют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных частей;
• не соединяют аккумуляторы в одну группу с разницей в дате выпуска более чем на месяц;
• обеспечивают разницу температур отдельных аккумуляторов не более 3°С.

Для продления срока службы аккумуляторов при циклическом режиме работы в солнечных системах важно не допускать и глубокого разряда. Степень разряда характ

еризуется глубиной разряда (DOD). выражаемую в процентах от номинальной емкости аккумулятора. На рис. 7 приведена зависимость емкости аккумулятора (в процентах от номинальной) в зависимости от количества отработанных циклов при разной глубине разряда (тип аккумуляторов FIAMM GS).

Эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде приводит к необходимости их более частой замены и обслуживания — и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов в солнечных системах стремятся ограничить на уровне 30…40%, что достигается отключением нагрузки (снижением мощности) или использованием аккумуляторов большей емкости. Поэтому, для управления процессом зарядки и выбора оптимального режима в состав солнечной электрической станции обязательно включают контроллеры зарядки разрядки аккумуляторной батареи.

Регуляторы зарядки-разрядки.

Стоимость регулятора заряда составляет не более 5% от стоимости всей системы (но от качества зарядных регуляторов зависит ее работа). Чтобы защитить батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи падает ниже напряжения отключения. Нагрузка не должна подключаться до момента, когда напряжение не возрастет до определенного порога (напряжения подключения). Существуют довольно противоречивые стандарты этих значений. Они зависят от конструкции определенных батарей, производственного процесса и срока службы батарей.

В некоторых моделях регуляторов используется звуковой сигнал, который сообщает пользователю о скором отключении нагрузки. Может предусматриваться и ручное отключение контроля нагрузки. Чтобы защитить батарею от перезарядки необходимо ограничить зарядный ток по достижении напряжения окончания зарядки. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемого напряжением возобновления заряда.

На практике выбор напряжения окончания и возобновления заряда -компромисс между обеспечением полного заряда (и усиленного испарения электролита при высоких напряжениях) и недозаряда (предотвращением коррозии электродов и потребления воды -низкие напряжения). Небольшие системы имеют тенденцию к перепотреблению энергии (а не к перезарядке) поэтому допускается перезарядка (высокое потребление воды) и следует использовать более высокое напряжение окончания заряда.

Некоторые производители включают в набор функций регулятора управляемую перезарядку для выравнивания напряжения на аккумуляторах в батарее. Перезарядку следует проводить при постоянном напряжении 2,5 В/элемент после каждой глубокой разрядки и/или каждые 14 дней длительностью 1…5 часов. Нет необходимости проводить управляемую перезарядку в малообслуживаемых и необслуживаемых аккумуляторных батареях.

Все вышеуказанные значения напряжений должны измеряться непосредственно на клеммах батареи, поэтому падение напряжения на соединительных проводах аккумуляторной батареи и регулятора не должно превышать 4% от номинального в самых неблагоприятных рабочих условиях (т.е. когда подключена максимальная нагрузка, а из солнечного генератора не поступает ток). Если это невозможно или дорого, то проводят отдельную сигнальную линию на регулятор.

Электрические нагрузки, требующие высокого значения начального тока (например, электродвигатели) могут приводить к кратковременному падению напряжения на батарее ниже напряжения отключения нагрузки (даже если батарея имеет достаточный заряд). Чтобы предотвратить эту ситуацию, необходимо отключать нагрузку на 3,..30с после достижения порога напряжения отключения нагрузки. В регуляторах могут быть предусмотрены следующие виды защиты:

• от короткого замыкания в нагрузке;
• от подключения аккумуляторной батареи обратной полярностью;
• температурная компенсация значений пороговых напряжений (это бывает необходимо, если предполагается эксплуатация батарей при температурах ниже минус 10°С).

Регуляторы имеют светодиодную или жидкокристаллическую индикацию режимов работы и изготавливаются, как правило, в отдельном пы-левлагозащищенном корпусе. Класс защиты — от IP32 (защита от песка и дождевых брызг) до IP65 (пылевла-гонепроницаемый). Все сказанное относится к регуляторам для автономных солнечных систем небольшой мощности (до 1кВт). В более мощных системах функции контроля зарядки и разрядки берет на себя системный контроллер (управляющий также всей системой). В большинстве случаев это устройство сопряжено с компьютером (осуществляющим к тому же непрерывный мониторинг за работой компонентов с запоминанием значений освещенности, температуры, тока и напряжения для последующего анализа).

Инверторы.

Солнечный генератор (каким бы сложным и большим он не был) может вырабатывать только постоянный ток. К счастью, существует много потребителей, использующих именно постоянный ток (зарядка аккумуляторов, освещение, радиоаппаратура и др.). Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы необходим инвертор. Инверторы — полупроводниковые приборы. Они могут быть разделены на два типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем: 1) инверторы для автономных систем и 2) инверторы для сетевого применения. Выходной каскад у обоих типов во многом похож, а главное отличие — в схеме управления. Первый тип имеет генератор частоты, а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты использует саму сеть). Для всех типов основной параметр — КПД (который должен быть более 90%).

Выходное напряжение автономных инверторов в большинстве случаев составляет 220 В (50/60 Гц), а в инверторах мощностью 10…100 кВт можно получать трехфазное напряжение 380 В. Все автономные инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторных батарей, поэтому входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48 и 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем больше его КПД. При больших напряжениях значительно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, но при этом усложняется конструкция солнечного генератора и его эксплуатация при опасных напряжениях (выше 40 В).

К форме выходного сигнала автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. В ряде случаев (если позволяет нагрузка) возможно применение инверторов с трапециевидным выходным сигналом. Такие инверторы стоят в 2…3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. Важный параметр автономных инверторов — зависимость КПД от мощности подключенной нагрузки. КПД не должен заметно снижаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора. В то же время инвертор должен выдерживать перегрузки в выходных цепях (при подключении электродвигателей или других динамичных нагрузок). В идеальном случае к автономному инвертору предъявляются следующие требования:

• способность выдерживать перегрузки (как кратковременные, так и длительные);
• низкие потери при малых нагрузках и на холостом ходу;
• стабилизация выходного напряжения;
• низкий коэффициент гармоник;
• высокий КПД;
• отсутствие помех на радиочастотах.

Зарубежные фирмы предлагают широкий ассортимент инверторов, специально разработанных для фотоэлектрических систем. Такие инверторы включают блок регулятора отбора максимальной мощности, блок регулятора заряда, а также дополнительный вход подключения дизель-генератора (для экстренной подзарядки батареи). Стоимость таких устройств-0,5… 1 $/Вт выходной мощности.

К выходному сигналу сетевых инверторов предъявляются самые жесткие требования. Для уменьшения потерь на преобразование такие инверторы работают при высоких входных напряжениях (до 1000 В). Так как их входные цепи запитываются непосредственно от солнечного генератора, инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности (встроенный в инвертор). Сетевые инверторы имеют также блок контроля мощности солнечного генератора (и включаются автоматически, как только мощность генератора становится достаточной для формирования переменного сигнала).

РАСЧЕТ СИСТЕМЫ

Под  расчетом фотоэлектрической системы понимается:

1) определение номинальной мощности солнечных модулей и схемы их соединения,

2) выбор типа, условий работы и емкости аккумуляторной батареи,

3) выбор типа и мощности инвертора,

4) определение параметров соединительных кабелей и т.д.

Сегодня основная задача фотоэлектрической энергетики — автономное электроснабжение объектов, поэтому мы ограничимся расчетом автономной фотоэлектрической станции мощностью до 5 кВт.

Схема станции была приведена на рис. 1.  Предположим, что система предназначена для потребителей переменного и постоянного тока.  Порядок расчета

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейшее увеличение использования фотоэлектрических станций способствует общему развитию промышленности. И в этой области отечественные производители могут конкурировать на общемировом уровне с иностранными.

Электронные компоненты, 2000, №5.