Статьи по рубрикамНа главную

Гибридные системы электропитания и общий подход к построению стационарных систем питания на солнечных панелях в условиях средней полосы РФ

Введение

Использование солнечных панелей в качестве альтернативных возобновляемых источников энергии в условиях средней полосы России представляет собой довольно сложную задачу. Слабое солнце, короткий день в зимний период и высокая стоимость оборудования заставляют нас проектировать подобные системы с максимальным КПД, «выжимая» все возможное из природных ресурсов и оборудования, добиваясь как можно большей эффективности и скорой окупаемости подобных проектов. Являясь реалистами, постараемся оценить текущие перспективы в наших довольно-таки северных для солнечной энергетики широтах и выработать концепцию построения подобных систем с учетом климатических особенностей региона. 

Сначала оценим количество энергии, которое возможно получить с квадратного метра земной поверхности в зависимости от времени года. Имея в качестве начального условия 55° с.ш. для г. Москвы мы получаем разницу почти на порядок в инсоляции между максимумом 21 июня и минимумом 21 декабря, см. табл. 1 [1].

При этом надо сказать, что получение солнечной энергии в зимнее время, в сезон наибольшего расхода энергоресурсов, связано с дополнительными трудностями, такими как проведение специальных работ по очистке солнечных панелей от снега. Более полные данные по инсоляции в течение года для г. Москвы [2] представлены в табл. 2. 

Таким образом, приняв КПД солнечной панели за 10%, мы получим для статической панели с наклоном в 40° декабрьский минимум в 2,2 кВт.ч/м2 и июньский максимум в 16,3 кВт.ч/м2.

Табл. 1. Поступление солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы (Вт/мв сутки) 

Широта, °с.ш.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

21 июня

375

414

443

461

470

467

463

479

501

510

21 декабря

399

346

286

218

151

83

23

0

0

0

Среднегодовое значение

403

397

380

352

317

273

222

192

175

167

Табл. 2. Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт.ч/м2
(Москва, Котельническая наб., широта 55,7)

янв

фев

март

апр

май

июнь

июль

авг

сент

окт

нояб

дек

год

Горизонтальная панель

16.4

34.6

79.4

111.2

161.4

166.7

166.3

130.1

82.9

41.4

18.6

11.7

1020.7

Вертикальная панель

21.3

57.9

104.9

93.5

108.2

100.8

108.8

103.6

86.5

58.1

38.7

25.8

908.3

Наклон панели - 40.0°

20.6

53.0

108.4

127.6

166.3

163.0

167.7

145.0

104.6

60.7

34.8

22.0

1173.7

Вращение вокруг полярной оси

21.7

62.3

132.9

161.4

228.0

227.8

224.8

189.2

126.5

71.6

42.2

26.0

1514.3

Задачи

Каким образом, принимая в расчет непостоянство величины получаемой с квадратного метра электроэнергии, мы можем ее использовать? Какой должна быть гибридная электросеть внутри помещений при таком перепаде величин? 

Структурная схема гибридной системы электропитанияРешение

Принципиально, система должна учитывать то важное обстоятельство, что каждое электрическое преобразование питающего напряжения имеет конечный КПД, составляющий для импульсных преобразо-вателей в среднем 70-80%. Построение энергосберегающих сетей питания нужно осуществлять так, чтобы на каждое подключенное к сети устройство приходилось как можно меньше таких преобразований. 

Предлагаемый вариант построения такой сети принимает во внимание следующие особенности бытового электропотребления:

  • Наличие у населения большого количества бытовой электронной аппаратуры низковольтного пита-ния, такой как сотовые телефоны, мобильные компьютеры, смарт-фоны, фото-видео камеры, мульти-медиа-плееры и т.д., причем боль-шинство из таких устройств легко допускает отклонение входного напряжения питания на 20-30% от номинала. 

  • Питание маломощной низко-вольтной техники осуществляется с помощью импульсных преобразо-вателей, наиболее популярными входными напряжениями для которых являются напряжения 5-6 В и 12 В. Здесь также нужно отметить, что промышленностью выпускается множество универ-сальных 12 В автомобильных импульсных преобразователей питания.

  • Питание предлагаемых для осве-щения помещений светодиодных ламп постоянного тока возможно от напряжений более 3 В. Такие лампы имеют встроенные импульсные преобразователи, ограничивающие ток и напряжение на светодиодах. 

Основываясь на всем выше-перечисленном, предлагается строить стационарные гибридные системы питания жилых помещений, структура которых показана на рис. 1.

Преимуществами такой системы являются:

  • Два или три выходных напряжения UС, UБ1 и UБ2, например UБ1=UБ2=6В, а UС=12В. В качестве розеток такой сети можно, например, исполь-зовать разъемы USB (гнездо Socket A) и стандартные розетки 12 В, применяемые для бортовой сети самолетов.

  • Простота схемотехнической реали-зации.

  • Низкие потери на преобразование. Питание большинства осветитель-ных и маломощных устройств производится непосредственно от аккумуляторных батарей.

  • Бесперебойный режим работы. При разрядке аккумуляторной батареи питание осуществляется от сети 220В.

К недостаткам такого низковольтного подхода можно отнести ограничения по мощности. При прокладке приходится принимать во внимание толщину сетевого провода. 

Общая потребляемая мощность W определяется как:

W=I(Rн+Rп),

где Rн - сопротивление нагрузки,

Rп - сопротивление сетевого провода;

I - сила тока. 

Поэтому, например, для того, чтобы мощность потерь в проводах составляла не более 1%, необходимо чтобы выполнялось соотношение Rн>100.Rп.

Сопротивление провода, как известно, зависит от его длины и сечения по формуле 

Rп= ρL/S,

где ρ - удельное сопротивление ма­териала провода, Ом.мм²/м;

L - длина, м; 

S - поперечное сечение, мм². 

Поэтому нужно размещать аккумуляторные батареи ближе к нагрузке. В случае, если предполагается питание более мощных уст­ройств, можно повысить напряжения аккуму­ляторов. 

Выводы

Подводя итоги анализа климатических условий и базовых предпосылок, можно сде­лать несколько выводов:

  • 1) Солнечные фотоэлектрические энергосистемы (ФЭС) могут использоваться в наших широтах только в качестве дополнительных источников электропитания и основным будет являться сезонное их применение, например, в дачных домах.

  • 2) Для повышения эффективности ФЭС при условии создания гибридных систем, использующих как традиционную сеть, так и автономное питание от фотоэлектрических преобразователей, желательно использование ФЭС для питания устройств, работающих только на постоянном токе.

  • 3) Основной нагрузкой ФЭС должны служить энергоэффективные устройства, такие как светодиодные лампы или современная маломощная бытовая аппаратура.

Эта статья опубликована в журнале Энергосовет № 5 (5) за 2009 г