Общие сведения

Обычно состав энергосистемы следующий:

Источник энергии. Их может быть один или несколько. Им может быть: генератор (бензо- или дизельэлектрический агрегат), фотоэлектрический модуль или ветроэлектрическая установка.

В качестве основного может применяться любой из перечисленных источников. Остальные могут использоваться как дополнительные или резервные. В нашем случае источником энергии будет фотоэлектрический модуль.

Принцип действия фотоэлектрического модуля состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. При этом генерируется постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую различными нагрузками постоянного тока, запасаться в аккумуляторных батареях для последующего использования или покрытия пиковой нагрузки, а также преобразовываться в переменный ток напряжением 220 В для питания различной нагрузки переменного тока [1].

В лабораторном стенде используется фотоэлектрический модуль типа:

ФЭ модуль MSW7-12;

Кремниевый монокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороне находится клеммная коробка.

Технические характеристики:

Пиковая мощность: 7 Вт±1;
Номинальное напряжение: 12 В;
Напряжение в точке максимальной мощности - 17 В;
Ток в точке максимальной мощности - около 0,4 А;
Напряжение холостого хода: 21 В;
Ток короткого замыкания: около 0,8 А;
Размеры: 393x232x38 мм;
Вес: 1 кг.
Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт/м² и температуре 25 °С)

Аккумуляторная батарея. В системах на возобновляемых источниках энергии, в силу непостоянства возобновляемого ресурса, это необходимый элемент. Наличие аккумуляторной батареи позволит иметь электроэнергию непрерывно.

В лабораторном стенде используется аккумулятор типа:

Аккумулятор DJW 12-12

Герметичные необслуживаемые свинцовые батареи.

Емкость: 12 Ач;
Напряжение: 12 В;
Габариты: 100x151x98 мм;
Вес: 4,05 кг.

Качественный аккумулятор для применения в автономных энергоустановках.
Благодаря герметичности не требуют специального вентилируемого помещения для хранения и эксплуатации.

Практически не требуют обслуживания. Обслуживание сводится к проверке минимально допустимого уровня разряда.

Срок службы - 10 лет при глубине разряда 80%.

Инвертор, т.е. преобразователь постоянного тока в переменный. Необходим, если у Вас есть потребители переменного тока на напряжение 220 В, или если Ваши потребители находятся на значительном расстоянии от АБ (потери в проводах постоянного тока низкого напряжения могут оказаться существенными). Но в лабораторном стенде инвертор не предусмотрен так как нагрузка работает на постоянном токе.

Контроллер заряда АБ. Любая автономная система электроснабжения, содержащая в своем составе аккумуляторные батареи, должна содержать в себе средства контроля заряда и разряда аккумуляторов.

Контроллеры заряда могут быть встроены в инверторы или блоки бесперебойного питания. В ББП обычно встраиваются и зарядные устройства.

Контроллеры заряда для фотоэлектрических систем бывают 2-х основных типов - шунтовые и последовательные.

В шунтовых контроллерах солнечная батарея замыкается накоротко; таким образом, ток от солнечной батареи течет через шунт и не попадает в аккумулятор. Такой принцип работы не позволяет подключать к входу контроллера другие источники энергии, кроме фотоэлектрических батарей.

В последовательных контроллерах источник энергии отключается от аккумулятора и нагрузки. Напряжение на источнике энергии поднимается до значения напряжения холостого хода.

Каждый тип контроллеров имеет свои преимущества и недостатки.

Контроллеры заряда также отличаются по алгоритму заряда на последней стадии заряда при достижении напряжения зараженного аккумулятора.

Простейшие контроллеры просто отключают источник энергии (солнечную батарею) при достижении напряжения на аккумуляторной батарее примерно 14,4 В (для АБ номинальным напряжением 12В). При снижении напряжения на АБ до примерно 12,5-13 В снова подключается солнечная батарея и заряд возобновляется. При этом максимальный уровень заряженности АБ при этом составляет 60-70%. При регулярном недозаряде происходит сульфатация пластин и резкое сокращение срока службы АБ.

Более сложные контроллеры на завершающей стадии заряда используют так называемую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) тока заряда.

Как работает ШИМ.

ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения длительности импульса к их периоду следования. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

Рисунок 1 – Генерируемый сигнал

Генерируется аналоговым компаратором, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде «пилы» или «треугольника», а на положительный — собственно сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте «зубъев» пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже — нуль.

В цифровой технике, выходы которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N-битным счётчиком. Цифровые устройства работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов, выход остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V(n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг-друга каждый такт Т. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~V(n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~V(n), кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T·2^N). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов. Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) [4].

При этом возможен заряд АБ до 100%. Это делается в четыре стадии:

4 стадии заряда от солнечной батареи

1. Заряд максимальным током: на этой стадии батарея получает весь ток, поступающий от солнечных модулей;

2. ШИМ заряд: когда напряжение на АБ достигает определенного уровня [2], контроллер начинает поддерживать постоянное напряжение за счет ШИМ тока заряда. Это предотвращает перегрев и газообразование в аккумуляторе. Ток постепенно уменьшается по мере заряда аккумуляторной батареи;

3. Выравнивание: Многие батареи с жидким электролитом улучшают свою работу при периодическом заряде до газообразования, при этом выравниваются напряжения на различных банках АБ и происходит очищение пластин и перемешивание электролита;

4. Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью заряжена, зарядное напряжение уменьшается для предотвращения дальнейшего нагрева или газообразования в батарее. АБ поддерживается в заряженном состоянии.

В лабораторном стенде используется контроллер типа:

Контроллер заряда Steca Solsum 6.6c

Контроллер заряда для солнечных батарей (СБ) Steca Solsum 6.6с рассчитан для работы в фотоэлектрических системах малой мощности при максимальном токе от солнечной батареи до 6 А и мощности нагрузки до 140 Вт. Серию отличает большие терминалы для подключения проводов, полностью закрытое исполнение и интуитивно понятная индикация.

Контроллеры имеют все необходимые европейские сертификаты. Может использоваться в тропических условиях.