Помощь студентам в учебе
АВТОНОМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
АВТОНОМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 12
1.1 Структурные схемы автономных фотоэлектрических энергетических
установок 12
1.2. Характеристики и режимы эксплуатации солнечных и аккумуляторных батарей 14
1.3 Энергопреобразующие устройства установок с фотоэлектрическими
преобразователями солнечной энергии 27
1.4 Способы повышения энергетической эффективности установок с
фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии 32
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
АВТОНОМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 37
2.1 Методы определения параметров и характеристик автономных
фотоэлектрических энергетических установок 37
2.2 Методика проектирования автономных энергетических установок,
основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции 42
2.3 Сравнительный анализ энергетической эффективности и параметров
автономных фотоэлектрических энергетических установок 50
Выводы по главе 2 54
ГЛАВА 3. СИСТЕМЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ 56
3.1 Преобразователи мощности солнечных батарей 56
3.2 Способы регулирования максимума мощности солнечных батарей 64
3.3 Моделирование систем экстремального шагового регулирования мощности
солнечной батареи 69
Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С
ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ШАГОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ
СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ 86
4.1 Автономная фотоэлектрическая энергетическая установка с экстремальным
шаговым регулированием мощности солнечных батарей 86
4.2 Разработка контроллера заряда с экстремальным шаговым регулированием
мощности солнечных батарей 90
4.3 Экспериментальные исследования энергетической эффективности
АФЭУ- 0,5 98
Выводы по главе 4 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ А 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 129
ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
АВТОНОМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 12
1.1 Структурные схемы автономных фотоэлектрических энергетических
установок 12
1.2. Характеристики и режимы эксплуатации солнечных и аккумуляторных батарей 14
1.3 Энергопреобразующие устройства установок с фотоэлектрическими
преобразователями солнечной энергии 27
1.4 Способы повышения энергетической эффективности установок с
фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии 32
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
АВТОНОМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 37
2.1 Методы определения параметров и характеристик автономных
фотоэлектрических энергетических установок 37
2.2 Методика проектирования автономных энергетических установок,
основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции 42
2.3 Сравнительный анализ энергетической эффективности и параметров
автономных фотоэлектрических энергетических установок 50
Выводы по главе 2 54
ГЛАВА 3. СИСТЕМЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ 56
3.1 Преобразователи мощности солнечных батарей 56
3.2 Способы регулирования максимума мощности солнечных батарей 64
3.3 Моделирование систем экстремального шагового регулирования мощности
солнечной батареи 69
Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С
ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ШАГОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ
СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ 86
4.1 Автономная фотоэлектрическая энергетическая установка с экстремальным
шаговым регулированием мощности солнечных батарей 86
4.2 Разработка контроллера заряда с экстремальным шаговым регулированием
мощности солнечных батарей 90
4.3 Экспериментальные исследования энергетической эффективности
АФЭУ- 0,5 98
Выводы по главе 4 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ А 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 129
Актуальность темы исследования
Коэффициент преобразования падающей солнечной энергии современных автономных фотоэлектрических энергетических установок не превышает 5 -10%. В ясную, солнечную погоду на каждый квадратный метр площади, перпендикулярной к солнечному вектору, падает до 1 кВт солнечной энергии, но с выхода автономных фотоэлектрических энергетических установок к потребителю поступает значительно меньшее количество энергии. Факторами, уменьшающими количество преобразованной энергии, являются невысокий КПД, широко используемых в наземных энергетических установках кремниевых солнечных батарей (СБ) (монокристаллические 17-23%, поликристаллические 12-15%, аморфные 6-8%), и недоиспользование генерирующих возможностей солнечной батареи.
Недоиспользование энергии солнечных батарей до 30% объясняется отсутствием у большинства автономных фотоэлектрических энергетических установок (АФЭУ) систем регулирования максимума мощности СБ, хотя целесообразно их использование при проектировании и создании АФЭУ, как с подвижными (система автоматического наведения СБ на Солнце), так и неподвижными солнечными батареями.
Известен ряд способов экстремального регулирования мощности (ЭРМ) солнечных батарей, но в настоящее время не исследовано преимущество какого- либо из них в отношение систем на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Также не определено оптимальное соотношение параметров системы ЭРМ СБ.
Для определения структуры и параметров фотоэлектрических энергетических установок существует ряд методик, представленных в основном на сайтах производителей. Эффективность и адекватность результатов таких методик ничем не подтверждена и зачастую направлена на увеличение размеров и стоимости АФЭУ с целью искусственного завышения цены и получения выгоды.
В настоящей диссертационной работе поставлена и решена задача повышения энергетической эффективности автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии за счет реализации экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей и расчета параметров АФЭУ с учетом энергобаланса и статистических значений графика инсоляции конкретной местности.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования являются автономные энергетические установки на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Предметом исследования является способ экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей и методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок.
Цель и задачи диссертационного исследования
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности автономной фотоэлектрической энергетической установки с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
• исследовать структуры автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей;
• провести анализ методов расчета технических параметров автономных фотоэлектрических энергетических установок;
• разработать методику проектирования АФЭУ на основе расчета энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности;
• провести анализ способов и алгоритмов регулирования экстремума мощности солнечных батарей;
• разработать систему экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей;
• разработать и изготовить контроллер заряда аккумуляторных батарей с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей;
• провести исследования параметров экстремального регулирования мощности солнечных батарей на имитационной модели в MatLab Simulink;
• провести экспериментальные исследования и обоснование технических характеристик и параметров контроллера заряда аккумуляторных батарей;
• провести экспериментальные исследования технических
характеристик АФЭУ с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей.
Достоверность полученных результатов, в диссертации, подтверждается сравнением данных, полученных при моделировании и расчетным путем, с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
1. Предложена методика проектирования автономных
фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности, позволяющая оптимизировать структуру и технические параметры энергетической установки.
2. Результаты сравнительного анализа способов повышения энергетической эффективности автономных фотоэлектрических установок, подтверждающие целесообразность применения систем экстремального регулирования мощности солнечных батарей.
3. Результаты имитационного моделирования автономной
фотоэлектрической энергетической установки с заданными параметрами, полученными на основе реальных экспериментальных исследований.
4. Получены результаты экспериментальных исследований,
обосновывающие рациональную величину шага ЭРМ не более 1 вольта по напряжению СБ, частоту регулирования 1-2 Гц и эффективность экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей выше 98%.
Практическая значимость результатов работы
1. Разработана система экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей, обеспечивающая высокие энергетические и эксплуатационные характеристики:
- коэффициент энергетической эффективности солнечной батареи выше 98%;
- устойчивый поиск точки максимальной мощности ВАХ СБ.
2. Разработан и создан контроллер заряда АБ с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей, обеспечивающий повышение энергетической эффективности АФЭУ до 30%.
3. Получены практические результаты для расчета технических характеристик контроллера заряда аккумуляторных батарей с ЭРМ СБ и методики проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок.
4. Предложены практические рекомендации по проектированию и эксплуатации фотоэлектрических энергетических установок.
Практическая ценность подтверждена патентами на полезную модель и изобретения.
Методы исследований
В ходе выполнения работы использовались элементы теории автоматического управления, положения общей теории цепей и теории алгебраических уравнений. Применялась графическая среда имитационного моделирования MatLab Simulink для построения энергетических систем, а также программы инженерного расчета для составления таблиц, диаграмм и вычисления функций - MathCad и Microsoft Excel. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на реальной фотоэлектрической энергетической установке.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Основные научные результаты, полученные соискателем, соответствуют пункту 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 -
Электротехнические комплексы и системы.
На защиту выносятся
1. Методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности.
2. Система шагового поиска точки максимальной мощности вольт- амперной характеристики соленой батареи, повышающая энергетическую эффективность АФЭУ до 30%.
3. Цифровой экстремальный шаговый регулятор с шагом не более 1 вольта по напряжению СБ, частотой регулирования 1-2 Гц и энергетической эффективностью солнечной батареи выше 98%.
4. Результаты экспериментальных исследований автономной фотоэлектрической энергетической установки с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Реализация результатов работы
Основные научно-практические результаты были получены автором при выполнении следующих проектов:
1. Х/Д 18/15, в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218, и договора между АО «ИСС» и Минобрнауки РФ от 01.12.2015 г. № 02.G25.31.0182OKP «Разработка цифрового управляющего и силовых модулей энергопреобразующего комплекса для высоковольтных систем электропитания космических аппаратов»;
2. Государственного задания Министерства образования и науки РФ, проект №8.8184.2017/8.9 «Методология создания систем энергогенерирующих и энергопреобразующих устройств для наземных и бортовых комплексов наземного, космического и подводного базирования»;
3. Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по темам:
- «Разработка и создание автономных фотоэлектрических энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей» от 01 сентября 2010 года №16.740.11.0067;
- «Разработка и создание автономных энергетических установок с автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за солнцем» от 12 октября 2012 года № 14.B37.21.1493;
- «Разработка контроллера заряда-разряда аккумуляторных батарей, обеспечивающего экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автономных фотоэлектрических энергетических установок»;
4. Программ стратегического развития Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, проекты:
- «Разработка и создание автономных энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за солнцем» (подпроект 2.3.1.4, 01.01.2012 - 30.11.2013);
- «Исследование и разработка интеллектуальных высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с повышенной энергетической эффективностью на основе регулируемых высокочастотных инверторнотрансформаторных преобразователей» (подпроект 2.3.1.2, 01.01.2014-25.12.2014).
Личный вклад автора
Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных в период с 2012 по 2018 год, и отражают его личный вклад в решаемую задачу. Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководителем и другими авторами. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. Автором разработан и изготовлен контроллер заряда аккумуляторных батарей с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей, проведены экспериментальные исследования и обоснованы технические характеристики АФЭУ, предложена методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности.
Апробация результатов работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV международном студенческом научно - техническом семинаре «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность», на I Всероссийской конференции «Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения», а также на Всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2012». Научно-технические совещания программы
стратегического развития Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, по проекту «Разработка и создание автономных энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и автоматическим слежением за солнцем»
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 печатных работах, из них 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 статья, индексированная в базе Scopus, 3 публикации в трудах и сборниках конференций, 1 патент РФ на полезную модель и 1 патент РФ на изобретение, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 74 иллюстрации и 9 таблиц.
Коэффициент преобразования падающей солнечной энергии современных автономных фотоэлектрических энергетических установок не превышает 5 -10%. В ясную, солнечную погоду на каждый квадратный метр площади, перпендикулярной к солнечному вектору, падает до 1 кВт солнечной энергии, но с выхода автономных фотоэлектрических энергетических установок к потребителю поступает значительно меньшее количество энергии. Факторами, уменьшающими количество преобразованной энергии, являются невысокий КПД, широко используемых в наземных энергетических установках кремниевых солнечных батарей (СБ) (монокристаллические 17-23%, поликристаллические 12-15%, аморфные 6-8%), и недоиспользование генерирующих возможностей солнечной батареи.
Недоиспользование энергии солнечных батарей до 30% объясняется отсутствием у большинства автономных фотоэлектрических энергетических установок (АФЭУ) систем регулирования максимума мощности СБ, хотя целесообразно их использование при проектировании и создании АФЭУ, как с подвижными (система автоматического наведения СБ на Солнце), так и неподвижными солнечными батареями.
Известен ряд способов экстремального регулирования мощности (ЭРМ) солнечных батарей, но в настоящее время не исследовано преимущество какого- либо из них в отношение систем на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Также не определено оптимальное соотношение параметров системы ЭРМ СБ.
Для определения структуры и параметров фотоэлектрических энергетических установок существует ряд методик, представленных в основном на сайтах производителей. Эффективность и адекватность результатов таких методик ничем не подтверждена и зачастую направлена на увеличение размеров и стоимости АФЭУ с целью искусственного завышения цены и получения выгоды.
В настоящей диссертационной работе поставлена и решена задача повышения энергетической эффективности автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии за счет реализации экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей и расчета параметров АФЭУ с учетом энергобаланса и статистических значений графика инсоляции конкретной местности.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования являются автономные энергетические установки на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Предметом исследования является способ экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей и методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок.
Цель и задачи диссертационного исследования
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности автономной фотоэлектрической энергетической установки с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
• исследовать структуры автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей;
• провести анализ методов расчета технических параметров автономных фотоэлектрических энергетических установок;
• разработать методику проектирования АФЭУ на основе расчета энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности;
• провести анализ способов и алгоритмов регулирования экстремума мощности солнечных батарей;
• разработать систему экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей;
• разработать и изготовить контроллер заряда аккумуляторных батарей с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей;
• провести исследования параметров экстремального регулирования мощности солнечных батарей на имитационной модели в MatLab Simulink;
• провести экспериментальные исследования и обоснование технических характеристик и параметров контроллера заряда аккумуляторных батарей;
• провести экспериментальные исследования технических
характеристик АФЭУ с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей.
Достоверность полученных результатов, в диссертации, подтверждается сравнением данных, полученных при моделировании и расчетным путем, с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
1. Предложена методика проектирования автономных
фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности, позволяющая оптимизировать структуру и технические параметры энергетической установки.
2. Результаты сравнительного анализа способов повышения энергетической эффективности автономных фотоэлектрических установок, подтверждающие целесообразность применения систем экстремального регулирования мощности солнечных батарей.
3. Результаты имитационного моделирования автономной
фотоэлектрической энергетической установки с заданными параметрами, полученными на основе реальных экспериментальных исследований.
4. Получены результаты экспериментальных исследований,
обосновывающие рациональную величину шага ЭРМ не более 1 вольта по напряжению СБ, частоту регулирования 1-2 Гц и эффективность экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей выше 98%.
Практическая значимость результатов работы
1. Разработана система экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей, обеспечивающая высокие энергетические и эксплуатационные характеристики:
- коэффициент энергетической эффективности солнечной батареи выше 98%;
- устойчивый поиск точки максимальной мощности ВАХ СБ.
2. Разработан и создан контроллер заряда АБ с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей, обеспечивающий повышение энергетической эффективности АФЭУ до 30%.
3. Получены практические результаты для расчета технических характеристик контроллера заряда аккумуляторных батарей с ЭРМ СБ и методики проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок.
4. Предложены практические рекомендации по проектированию и эксплуатации фотоэлектрических энергетических установок.
Практическая ценность подтверждена патентами на полезную модель и изобретения.
Методы исследований
В ходе выполнения работы использовались элементы теории автоматического управления, положения общей теории цепей и теории алгебраических уравнений. Применялась графическая среда имитационного моделирования MatLab Simulink для построения энергетических систем, а также программы инженерного расчета для составления таблиц, диаграмм и вычисления функций - MathCad и Microsoft Excel. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на реальной фотоэлектрической энергетической установке.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Основные научные результаты, полученные соискателем, соответствуют пункту 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 -
Электротехнические комплексы и системы.
На защиту выносятся
1. Методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности.
2. Система шагового поиска точки максимальной мощности вольт- амперной характеристики соленой батареи, повышающая энергетическую эффективность АФЭУ до 30%.
3. Цифровой экстремальный шаговый регулятор с шагом не более 1 вольта по напряжению СБ, частотой регулирования 1-2 Гц и энергетической эффективностью солнечной батареи выше 98%.
4. Результаты экспериментальных исследований автономной фотоэлектрической энергетической установки с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Реализация результатов работы
Основные научно-практические результаты были получены автором при выполнении следующих проектов:
1. Х/Д 18/15, в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218, и договора между АО «ИСС» и Минобрнауки РФ от 01.12.2015 г. № 02.G25.31.0182OKP «Разработка цифрового управляющего и силовых модулей энергопреобразующего комплекса для высоковольтных систем электропитания космических аппаратов»;
2. Государственного задания Министерства образования и науки РФ, проект №8.8184.2017/8.9 «Методология создания систем энергогенерирующих и энергопреобразующих устройств для наземных и бортовых комплексов наземного, космического и подводного базирования»;
3. Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по темам:
- «Разработка и создание автономных фотоэлектрических энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей» от 01 сентября 2010 года №16.740.11.0067;
- «Разработка и создание автономных энергетических установок с автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за солнцем» от 12 октября 2012 года № 14.B37.21.1493;
- «Разработка контроллера заряда-разряда аккумуляторных батарей, обеспечивающего экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автономных фотоэлектрических энергетических установок»;
4. Программ стратегического развития Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, проекты:
- «Разработка и создание автономных энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за солнцем» (подпроект 2.3.1.4, 01.01.2012 - 30.11.2013);
- «Исследование и разработка интеллектуальных высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с повышенной энергетической эффективностью на основе регулируемых высокочастотных инверторнотрансформаторных преобразователей» (подпроект 2.3.1.2, 01.01.2014-25.12.2014).
Личный вклад автора
Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных в период с 2012 по 2018 год, и отражают его личный вклад в решаемую задачу. Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководителем и другими авторами. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. Автором разработан и изготовлен контроллер заряда аккумуляторных батарей с экстремальным шаговым регулированием мощности солнечных батарей, проведены экспериментальные исследования и обоснованы технические характеристики АФЭУ, предложена методика проектирования автономных фотоэлектрических энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности.
Апробация результатов работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV международном студенческом научно - техническом семинаре «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность», на I Всероссийской конференции «Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения», а также на Всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2012». Научно-технические совещания программы
стратегического развития Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, по проекту «Разработка и создание автономных энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и автоматическим слежением за солнцем»
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 печатных работах, из них 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 статья, индексированная в базе Scopus, 3 публикации в трудах и сборниках конференций, 1 патент РФ на полезную модель и 1 патент РФ на изобретение, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 74 иллюстрации и 9 таблиц.
Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке энергоэффективных автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей.
Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Проведено исследование структур автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей с реализацией способов повышения их энергетической эффективности. Показано, что реализация экстремального регулирования мощности солнечных батарей - наиболее действенный способ повышения энергетической эффективности АФЭУ, сопоставимый со способом автоматического слежения солнечных батарей за Солнцем, но проще реализуемый практически.
2. Разработана методика проектирования автономных энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности, позволяющая определить рациональную структуру и технические параметры энергетической установки для заданных условий эксплуатации и графика энергопотребления.
3. Проведен анализ способов и алгоритмов регулирования экстремума мощности солнечных батарей и показано, что шаговый способ обеспечивает устойчивое регулирование точки экстремума мощности на ВВХ в любых изменяющихся условиях эксплуатации СБ.
4. Разработана система экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей, обеспечивающая устойчивое регулирование максимума мощности солнечной батареи и коэффициент ее использования не менее 98%:
- частота шагового изменения напряжения СБ - не менее 1 Гц;
- допустимая величина шагового изменения напряжения СБ - от 0,5 до 1 В.
Определен рабочий диапазон поиска экстремума мощности для наземных АФЭУ в зависимости от температуры и освещенности СБ - 30 В.
5. Разработан контроллер заряда аккумуляторных батарей на основе понижающего преобразователя с экстремальным шаговым регулированием мощности СБ, с частотой изменения напряжения СБ 1 Гц и величиной шагового изменения 1 В, который обеспечивает стабильную, эффективную работу с КПД до 96,5%.
6. Проведены экспериментальные исследования разработанной автономной фотоэлектрической энергетической установки, подтверждены расчетные технические характеристики АФЭУ - 0,5. Результаты испытаний при реальном солнечном освещении фотоэлектрических панелей КСМ-160 совпадают с результатами имитационного моделирования в Ма!ГаЬ Simulink.
7. Предложены практические рекомендации по определению исходных параметров проектирования и эксплуатации фотоэлектрических энергетических установок на основе полученных экспериментальных данных:
- зависимость температуры фотоэлектрических преобразователей от температуры окружающей среды и времени суток;
- скорость нагрева и охлаждения фотоэлектрических преобразователей при изменяющихся внешних условиях;
- время и скорость затенения солнечных батарей облаками.
Новизна полученных результатов диссертационной работы подтверждена полученными патентами.
Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Проведено исследование структур автономных энергетических установок на основе фотоэлектрических преобразователей с реализацией способов повышения их энергетической эффективности. Показано, что реализация экстремального регулирования мощности солнечных батарей - наиболее действенный способ повышения энергетической эффективности АФЭУ, сопоставимый со способом автоматического слежения солнечных батарей за Солнцем, но проще реализуемый практически.
2. Разработана методика проектирования автономных энергетических установок, основанная на расчете энергобаланса и статистических значениях графика инсоляции конкретной местности, позволяющая определить рациональную структуру и технические параметры энергетической установки для заданных условий эксплуатации и графика энергопотребления.
3. Проведен анализ способов и алгоритмов регулирования экстремума мощности солнечных батарей и показано, что шаговый способ обеспечивает устойчивое регулирование точки экстремума мощности на ВВХ в любых изменяющихся условиях эксплуатации СБ.
4. Разработана система экстремального шагового регулирования мощности солнечных батарей, обеспечивающая устойчивое регулирование максимума мощности солнечной батареи и коэффициент ее использования не менее 98%:
- частота шагового изменения напряжения СБ - не менее 1 Гц;
- допустимая величина шагового изменения напряжения СБ - от 0,5 до 1 В.
Определен рабочий диапазон поиска экстремума мощности для наземных АФЭУ в зависимости от температуры и освещенности СБ - 30 В.
5. Разработан контроллер заряда аккумуляторных батарей на основе понижающего преобразователя с экстремальным шаговым регулированием мощности СБ, с частотой изменения напряжения СБ 1 Гц и величиной шагового изменения 1 В, который обеспечивает стабильную, эффективную работу с КПД до 96,5%.
6. Проведены экспериментальные исследования разработанной автономной фотоэлектрической энергетической установки, подтверждены расчетные технические характеристики АФЭУ - 0,5. Результаты испытаний при реальном солнечном освещении фотоэлектрических панелей КСМ-160 совпадают с результатами имитационного моделирования в Ма!ГаЬ Simulink.
7. Предложены практические рекомендации по определению исходных параметров проектирования и эксплуатации фотоэлектрических энергетических установок на основе полученных экспериментальных данных:
- зависимость температуры фотоэлектрических преобразователей от температуры окружающей среды и времени суток;
- скорость нагрева и охлаждения фотоэлектрических преобразователей при изменяющихся внешних условиях;
- время и скорость затенения солнечных батарей облаками.
Новизна полученных результатов диссертационной работы подтверждена полученными патентами.
Подобные работы
- Построить математическую модель ППН и разработать алгоритм расчёта
Дипломные работы, ВКР, экономика. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016