Исследование систем энергоснабжения на базе солнечных батарей

№89-1,

физико-математические науки

В данной работе приведено исследование систем энергоснабжения на базе солнечных батарей. Рассмотрена структурная схема систем энергоснабжения. Приведено описание основных элементов системы. Сделан вывод о целесообразности использования систем энергоснабжения на базе солнечных батарей.

Похожие материалы

Сегодня весь мир обеспечен электроэнергией, которую мы получаем, используя ископаемое топливо, это достаточно эффективно, но такое топливо ограничено, также традиционные способы добычи электроэнергии являются одним из факторов загрязнения окружающей среды. Поэтому люди все больше начинают обращаться к альтернативной энергетике. В качестве источника энергии, например, можно использовать солнце.

Процесс, при котором солнечная энергия переходит в электрическую, связан с явлением фотоэффекта (явления отрывания от поверхности вещества, находящегося под действием света, заряженных частиц). Сама солнечная батарея состоит из двух слоев, каждый слой материалов обладает своей проводимостью, а получить их можно с помощью добавления различных химических соединений.

Структурная схема системы электроснабжения с использованием солнечной энергии, приведённая на рисунке 1, состоит из солнечной батареи, контроллера, системы удалённого доступа, аккумулятора и инвертора.

Структурная схема системы электроснабжения с использованием солнечной энергии.
Рисунок 1. Структурная схема системы электроснабжения с использованием солнечной энергии.

Рассмотрим более подробно основные элементы данной системы.

Солнечные панели бывают кремниевыми и пленочными. В свою очередь кремниевые делятся на монокристаллические, сделанные из единого кристалла кремния, с большим КПД, а также с округленными углами и поликристаллические, сделанные из блоков кристаллов кремния с квадратной формой. Существуют аморфные панели, изготавливают их путем напыления кремния и других веществ на прочный слой специальной фольги. Но КПД у таких устройств очень низкий, не более 9%. Также бывают пленочные панели на различных основах таких как теллурид кадмия или селенид меди-индия. Таким образом, постоянно ведутся исследования по получению солнечных панелей с наибольшим КПД.

Контролеры позволяют не только распределять энергию, полученную от солнечных батарей, но и сохранять ее в аккумуляторе или при необходимости направлять напрямую к источнику потребления.

По принципу действия, контроллеры можно разделить на 3 вида:

Контроллеры типа on\off: отличается простым строением и дешевой стоимостью. Принцип действия основан на отключении аккумулятора от панели при достижении максимального напряжения.

Контроллеры типа PWM: более продвинутая версия контроллера, позволяющие не только отключить аккумулятор от солнечной панели, но и снизить входящее напряжение.

Контроллеры типа MPPT: наиболее продвинутый из рассматриваемых контроллер, самостоятельно считывающий характеристики аккумулятора и поддерживающий оптимальные параметры заряда батареи.

Удалённое настраивание контроллеров: Некоторые контроллеры комплектуются удалённым коммуникативным портом и специальным модулем радиосвязи, предоставляющим возможность удалённого наблюдения за системой из любой точки мира.

Сама система дистанционного мониторинга представляет собой платформу, предназначенную для управления контроллером и отслеживания его параметров.

Таким образом, для научных исследований систем энергоснабжения оптимально подходят контроллеры типа MPPT с дистанционным блоком управления.

Аккумуляторная батарея — это устройство накапливающее электроэнергию и обеспечивающее автономное питание оборудования.

Основные характеристики аккумулятора:

  1. температурный режим при разрядке;
  2. максимальный ток разряда;
  3. рабочее напряжение;
  4. режим разряда, то есть постоянный или импульсный разряд;
  5. масса и габаритные характеристики;
  6. срок службы.

Аккумуляторы разделяют в зависимости от их химического состава. Никель-кадмиевые аккумуляторы это старая форма батарей, так как они очень чувствительны к холоду, но зато данный тип отличаются низким саморазрядом, в нынешнее время используется в электроинструментах. Никель-металл-гидридные батареи это распространенные, дешевые и компактные батарей, в большинстве случаев используются в радиотелефонах. Литий-ионные являются современными аккумуляторами, так как почти что не подвержены снижению емкости, то есть, по факту, их можно заряжать в любое и необязательно полностью. Это оптимальный вид аккумулятором для солнечных батарей.

Инвертор — это устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный с изменением величины напряжения.

Как правило на солнечных электростанциях инвертор преобразует напряжение 12 Вольт постоянного тока в напряжение для питания бытовых приборов 220 Вольт частотой 50 Гц. Форма напряжения на выходе может быть: синусоидальным, квазисинусоидальным и прямоугольным. Вид синусоиды определяется с помощью конструкции прибора. Один из наиболее сложных это инвертор чистый синус, который обеспечивает параметры напряжения, необходимые для нормальной работы сложных технических устройств, которые очень чувствительны к качеству напряжения питающей сети. В инверторах, также есть функция отключения потребителя от системы энергоснабжения, когда заряд аккумулятора на низком уровне.

Для получения требуемых параметров тока, мощности и напряжения системы энергоснабжения применяют различные соединения солнечных панелей:

Последовательное соединение солнечных панелей

При последовательном соединении клемма с плюсом первой панели будет соединяться с минусовой клеммой второй, плюсовая второй с минусовой третьей и дальше в таком же порядке.

При последовательном соединении напряжение всей системы будет складываться. Ток равняется току панели с минимальным его значением и останется неизменным.

Параллельное соединение

При параллельном подключении напряжения каждой панели будут равны между собой и равны общему напряжению на выходе из системы панелей. Ток всех панелей будет складываться. Параллельное соединение позволяет увеличить ток системы, не поднимая напряжения.

Смешанное соединение

В таком подключении соединенные последовательно цепочки панелей объединяют параллельно. Благодаря такой схеме соединения, можно регулировать ток и напряжение на выходе из системы, это позволяет подобрать оптимальный режим работы.

Таким образом, проделанные исследования систем энергоснабжения позволяют классифицировать и подобрать их основные элементы для научных исследований. Дальнейшие исследования предполагается направить на разработку конкретных технических решений для отдельных отраслей.

Таким образом, проделанные исследования систем энергоснабжения позволяют классифицировать и подобрать их основные элементы для научных исследований. Дальнейшие исследования предполагается направить на разработку конкретных технических решений для отдельных отраслей.

Список литературы

  1. Бондарев Руслан Павлович Использование солнечных батарей как вспомогательный источник энергии в северных регионах // Символ науки. 2017. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-solnec.. (дата обращения: 10.09.2018).
  2. Алехин Владимир Анатольевич Солнечная энергия и диоды Шоттки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnaya-energiya-i-diody-shottki (дата обращения: 10.09.2018).
  3. Баранов Н.Н. Прямое преобразование энергии для автономной энергетики // Энергия: экономика, техника, экология. -2000. - № 8. - С. 23-34.
  4. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии //Ахмедов Р.Б. М.: Знание, 1988. 46 с.
  5. Козюков Д.А. и Цыганков Б.К. Контроллеры заряда-разряда аккумуляторных батарей солнечных фотоэлектрических установок // Инновационная наука. 2015. №8. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kontrollery-zaryada-razryada-akkumulyatornyh-batarey-solnechnyh-fotoelektricheskih-ustanovok (дата об-ращения 10.09.2018).