Расчет фотоэлектростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

аккумулятор инвертор контроллер выпрямитель

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнодеятельности биоцентров растительного и животного происхождения. ВИЭ включает следующие формы энергии: солнечная, геотремальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчанников, гидроэнергия [1].

В данном курсовом проекте будет рассматриваться солнечная форма энергии(лучистая) - солничная электростанция. Тип слоничной электростанции - фотоэлектростанция.

Фотоэлектрические станции использует эффект прямого пробразования солнечного излучения в эелктроэнергию, открытый в 1839 году французким физиком Беккерелем. Фотоэлементы в большинстве случаев представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды. При поглащении света полупроводниковой структурой энергия фотонов передается электронам материяла, что называется появление свободных носителей заряда. Носители заряда создают потенциальный градиент в области p-n перехода, под воздействием которого возникает электрически ток через электроприёмники. Типичная величина разности потенциалов - 0,5 В, плотность фототока - 200 А/ при удельной мощности солнечного излучения 1 кВт/.

Фотоэлектрическая станция, кроме собственного фотопреобразователя - солнечной панели, содержит аккумуляторную батарею с зарядным устройством, инвертор для преобразования постоянного напряжения в переменное стандартной частоты и другие вспомогательные элементы [2].



1. Разработка моделей составных частей системы

Основу СЭ составляет полупроводниковый прибор на основе pn-перехода (рис. 1). Фотоэлемент представляет собой «сэндвич» из двух слоев кремния разной проводимости, сетки из металлических контактов и антибликового покрытия.

Рис. 1. Солнечный элемент

Области p и n кремниевого СЭ состоят из кремния с собственной проводимостью. Проводимость p - типа создается в процессе выращивания кристалла кремния добавлением небольшого количества акцепторных примесей в расплав. Проводимость n - типа образуется в процессе формирования перехода диффузионным способом. При диффузии пластинки материала p - типа помещают при повышенной температуре в среду, содержащую акцепторный элемент. Изменение проводимости материала с p - типа на n - тип происходит в области перехода толщиной менее 1 мкм.

Таким образом, фотоэлектрический элемент представляет собой pn-переход и для него будут справедливы все свойства такой полупроводниковой структуры. Неосвещенный СЭ проводит электрический ток, поступающий от внешнего источника, только в одном направлении.

Работа СЭ заключается в использовании явления фотоэффекта. Суть фотоэффекта заключается в том, что фотоны света, как основа солнечного излучения (СИ), могут выбивать электроны или с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием СИ, падающего на границе пары металл-полупроводник некоторой ЭДС, вызывающей появление или изменение тока во внешней цепи, соединяющей указанную пару (фотоэффект, запирающего слоя или вентильный фотоэффект)

Схема замещения СЭ выглядит так как представлено на рисунке 2.

Рис. 2. Схема замещения солнечного элемента

Важной характеристикой СЭ является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость напряжения на клеммах элемента от выдаваемого им тока (рис. 3). Важными параметрами, определяющими ВАХ СЭ являются: напряжение холостого хода и ток короткого замыкания при заданных уровнях облученности.

В ходе выполнения была построена имитационную модель солнечного модуля, состоящего из элементов.

С помощью использования определяемых пользователем функций «F(u)» библиотеки Simulink/User-Defined Functions, были описаны основные уравнения СЭ. В именах функций (рисунок 4) указаны номера выражений[2], по которым они вычисляются.



Рисунок 3-Структура модели СЭ

Рисунок 4. Подмодели СЭ

Для моделирования ВАХ солнечного модуля на выходе модели установлены управляемые источники ЭДС и тока (режим работы DC) из библиотеки SimPowerSystems, соединенные последовательно. Резисторы Ом и Ом имитируют внутренние сопротивления солнечного модуля. Наличие логических блоков в левом нижнем углу схемы обусловлено исключением ситуации работы солнечного модуля при, т.е. когда рабочая точка ВАХ смещается в другой квадрант. [2]

Рисунок 5 - Основные технические параметры СЭ



2. Подбор оборудования и определение параметров составных частей

2.1 Аккумуляторная батарея на основе суперконденсаторов

Суперконденсатор (СК) - новый тип энергоемких конденсаторов с плотностью энергии в 10 раз выше, чем в традиционных конденсаторах, а мощность импульсного разряда до 10 раз выше мощности аккумуляторных батарей.

СК представляет собой молекулярный накопитель энергии (накопитель энергии), накопление заряда в котором осуществляется в двойном электрическом слое в объеме сверхпористого углерода. Металлический корпус СК состоит из обечайки и крышек, сваренных друг с другом аргонодуговой сваркой. Токовыводы располагаются на торцевых сторонах цилиндра (по центру крышек). Внутри корпуса находятся блоки накопительных элементов, представляющих собой многослойную тонкопленочную конструкцию, состоящую из пористых углеродных электродов, сепаратора и токосъемных пластин. Полости (свободные объемы) между корпусом и блоками накопительных элементов заполнены эпоксидным компаундом.

Рисунок 6. Эквивалентная схема замещения

Единственным отличием от конденсаторов является наличие сопротивления EDR-называемым эквивалентным распределённым сопротивлением.

Существует 3 параметра, существенно влияющих на электрические характеристики СК:

где -сопротивление потерь (как у обычных конденсаторов)

- эквивалентное распределительно сопротивление, определенное ионными токами, поэтому падает со временем;

- индуктивность потерь;

- собственная емкость СК;

- сопротивление утечки.

Так как EDR со временем падает, то при моделировании учтено не было. Также не была учтена индуктивность потерь.

Рисунок 7 - Реализация Matlab



Рисунок 8 - Основные технические параметры АКБ

В качестве аккумулятора можно использовать модуль суперконденсаторов фирмы KAPower на 500 фарад. Рабочее напряжение 12 Вольт - 48 Вольт.

Рисунок 9 - модуль суперконденсаторов KAPower



2.2 Солнечный панель

Солнечный модуль - Вт HH-POLI230W.

Рисунок 10 - солнечный модуль HH-POLI230W

Технические характеристики:

· Пиковая мощность: 220 Вт, положительный толеранс

· Номинальное напряжение: 30 В

· Количество солнечных элементов в модуле: 72

· Напряжение в точке максимальной мощности - 37.6 В

· Ток в точке максимальной мощности: около 8,51 А

· Напряжение холостого хода: около 45,8 В

· Коннекторы: MC4 совместимые, длина провода 800 мм

· Класс защиты IP 67

· Размеры: 1957x992x50 мм

· Вес: 23,2 кг

С учётом температуры окружающей среды и инсоляции 500 Вт/м² необходимо 2 блока по 22 модуля данной солнечной панели для энергоснабжения потребителя с расчётной мощностью нагрузки 5 кВт.

Оптимальное рабочее напряжение панелей - 27,6 В. Устанавливаем панели в ряды по 8 штук и соединяем параллельно. Выходное напряжение каскада:

Рисунок 11 - Схема соединения солнечных панелей.

2.3 Инвертор напряжения

Был реализован инвертор напряжения с Неlp приложения Matlab

Рисунок 12 - Инвертор напряжения

Для уменьшения помех был установлен фильтр.

Инвертор производит преобразование постоянного напряжения в переменное.

DC-AC Полный Мостовой преобразователь представляет собой электрическое устройство, которое используется для преобразования питания постоянного тока в переменное питание.

PWM Generstor служит в качестве контроллера. Он производит PWM импульсы и эти импульсы подаются на IGBT-транзисторы переключатели так, что IGBT ключи могут быть ВКЛ и ВЫКЛ. PWM Generstor отвечает за генерацию колебательных сигналов, которые контролирует действие включения и выключения IGBT - переключателей.

Полный мост (однофазный) инвертор построен из двух половиной схемы моста, связанные чтобы сформировать, полный мост или инверторы Н-моста. Его расположение показано на рисунке 10. Он состоит из источника постоянного напряжения, 4 мощных выключателей (обычно биполярный транзисторы-BJTs), металл-оксид-полупроводник полевые транзисторы-

МОSFETS-транзисторы, с изолированным затвором биполярные транзисторы-IGBTS и нагрузка(Load).

Выберем для установки IGBT инвертор серии INV 220, мощность - 240 кВт.

Входные характеристики:

- напряжение - 220В;

- допустимое отклонение напряжения 180 - 300 В;

Выходные характеристики:

- напряжение - 400В

- частота 50-60 Гц ± 0.1%;

- статическая стабилизация - ±1%;

- динамическая стабилизация - ±8%;

- крест фактор - 1.414 ±3%;

- режим работы - непрерывный;

- форма сигнала - синусоидальный;

- перегрузочная способность - 125% в течении 10 минут, 150% в течении 1 минуты;

- время переключения - 20 мс;

- искажение THD - < 3%;

- КПД - > 90%;

2.4 Контроллер заряда

Отбор мощности для заряда АКБ может осуществляется по следующей схеме.

Рисунок 13 - Контролер

Блок Divide производит вычисление значения тока на АКБ по следующей формуле:



2.5 Управляемый выпрямитель (конвертор)

Был использован для отбора мощности АКБ.

 

Рисунок14 - Конвертор повышающий

Преобразователи Повышения по существу это повышающий преобразователь питания, в котором взятое на входе низкое напряжение повышается до гораздо более высокого напряжения.

Отношение входного и выходого напряжения управляется переключателем рабочего цикла, D, соответствии с приведенным ниже уравнением.

Внутренние операции в повышающего преобразователя можно рассматривать как накопление заряда и передача устройством.

Чтобы установить желаемую частоту для этого преобразователя был разработан широтно-импульсный модулятор(ШИМ) для управления повышающим преобразователем.

Импульсные регуляторы имеют три основных преимущества по сравнению с линейных регуляторов. Во-первых, переход эффективность может быть намного лучше. Во-вторых, потому, что меньше энергии теряется при передаче, мелкие компоненты и меньше термальное управление не требуется. В-третьих, энергия, накопленная в индуктивности импульсного стабилизатора могут быть преобразованы в выходных напряжений, которые могут быть больше, чем на входе (повышающее преобразование), отрицательного (инвертор), или может даже быть переданы через трансформатор, чтобы обеспечить электрическую изоляцию по отношению к вход.

Рисунок 15. Простой повышающий преобразователь

Рисунок 16. Осциллограмма напряжения на АКБ

Как мы видим на осциллограмме напряжение на АКБ соответствует необходимому при соединении 10 АКБ последовательно (24 Вольта каждая).



3. Разработка системы управления

Рисунок 17. Система управления конвертором

Система у правления конвертора выглядит следующим образом. С помощью блока U мы снимаем напряжение на выходе и сравниваем его с эталоным U1. Опытным путем было установлено что для получения напряжения на выходе в районе 310В нам необходимо подавать U управление равное 0,3. Регулирование осуществляется блоками Trasfer Fcn и Gain.

Рисунок 18. Осциллограмма тока и напряжения на нагрузке

Согласно осциллограмме при работе схемы напряжение на нагрузке соответствует норме.



4. Разработка комплексной модели системы

Комплексная модель системы энергоснабжения состоит из: солнечных панелей, управляемого выпрямителя, блока заряда-разряда АКБ, Блок аккумуляторных батарей (суперконденсаторы), системы управления инвертора напряжения и самого инвертора напряжения.

 

Рисунок 19. Комплексная схема



Заключение

Разработанная математическая модель выполнят имитацию работы солнечной панели. В данной работе были применены реальные статистические данные по работе СЭ.

В ходе выполнения была разработана система управления инвертором напряжения для получения стандартного напряжения на нагрузке 220 В.

При имитации АКБ емкость батареи была принята очень малого значения в связи с тем, что при установлении 100 Ф схема выходила из строя.



Список использованных источников

1. Б.В. Лукутин, О.А. Суржикова, Е.Б. Шандарова. Возобновляемая энергия в децентрализованном электроснабжении. 2008. - 5 с.

2. Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог технологий и изделий, разработанных и пройзводимых в системе ГНУ ВИЭСХ. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. - 32с

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ (СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ).

3. DC-DC Converter [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/2031, свободный.

Размещено на Allbest.ru