Исполнитель: Макаров Никита Александрович, 541 об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ВЫРАБАТЫВАЕМОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ, НА ОСНОВЕ ИОНИСТОРОВ
Потребности общества в накопителях электрической энергии по-прежнему не удовлетворены. Появление и развитие альтернативной электроэнергетики повысило спрос и технические требования к накопителям электрической энергии, которые используются в качестве сглаживающих или накапливающих электрическую энергию устройств.
До недавнего времени в качестве накопителей электроэнергии повсеместно использовались различные химические источники электрической энергии. С появлением ионисторов с большими значениями электрической ёмкости, во многих маломощных потребителях электроэнергии стали отказываться от аккумуляторов ввиду их ограниченного срока служба и количества циклов перезаряда. В таких устройствах стал использоваться ионистор, который заряжается от внешнего источника, например солнечной панели, а затем накопленный заряд в моменты, когда солнечная панель не вырабатывает электроэнергию, обеспечивает электропитанием маломощный потребитель. Достоинством такого решения является большой срок службы ионисторов, простота обслуживания, быстрый заряд/разряд, возможность работы при низких температурах.
Конечно, на сегодня, ионисторы по энергоёмкости намного уступают химическим аккумуляторам, но развитие технологии производства ионисторов ведёт к тому, что энергоёмкость этих устройств сравняется, тогда ионистор станет полноценным конкурентом аккумулятору в мощных накопителях электроэнергии.
Поэтому, важно вести разработки по созданию накопителей электроэнергии на ионисторах для мощных потребителей. В связи с этим необходимо решить схемотехнические задачи: объединения отдельных ионисторов в батареи большой емкости, стабилизации напряжения на отдельных ионисторах, согласование электрических параметров полученной батареи с источниками электроэнергии и др.
Разрабатываемый контроллер будет особенно полезен при использовании батареи ионисторов в качестве накопителя электрической энергии, так как они имеют довольно короткое время заряда, а также большой срок эксплуатации; но при этом контроллер можно использовать также в сочетании и с обычными химическими аккумуляторами.
Основные конструктивные и технико-эксплуатационные характеристики: накопитель электроэнергии состоит из трёх функциональных частей: контроллера управления и согласования фотоэлектрической установки с батареей ионисторов, батареи ионисторов и преобразователя напряжения.
Конструктивно контроллер и преобразователь напряжения объединены в одном корпусе, имеющем следующие органы управления:
- жидкокристаллический дисплей для отображения режимов работы фотоэлектрической установки и батареи ионисторов;
- функциональные кнопки управления для гибкой настройки режимов работы и других параметров контроллера и преобразователя;
- кнопка для ручного подключения цепей источника и нагрузки.
Новизна: новизной предлагаемых в проекте решений является применение ионисторов вместо аккумуляторов в качестве накопителей электроэнергии, а также:
- оригинальный алгоритм управления режимом мощности фотоэлектрической установки (слежение за точкой максимальной мощности);
- микроконтроллерная система регулирования мощности солнечных панелей и согласования мощности нагрузки;
- значительная по энергоёмкости батарея ионисторов с регулятором заряда и напряжения.
Область применения: созданный накопитель электроэнергии будет использоваться в следующих областях:
- в малой или альтернативной электроэнергетике энергетике в качестве устройства, которое накапливает избыток электроэнергии, вырабатываемый источником с непостоянной генерацией;
- в электротехнической промышленности при изготовлении устройств, использующих автономные источники питания;
- в робототехнике при создании автономных и передвигающихся роботов;
- в транспорте для замены аккумуляторов;
- в системах охранной и пожарной сигнализации в качестве источников аварийного питания.
Назначение научно-технического продукта Запасание электрической энергии, вырабатываемой фотоэлектрической установкой, в накопителе, использующем батарею ионисторов, за счет:
- обеспечения режима работы солнечных панелей в точке максимальной мощности;
- обеспечения заряда батареи ионисторов до заданного напряжения (ограниченного максимальным напряжением ионисторов);
- согласования уровня напряжений солнечных панелей и батареи ионисторов.
Структура устройства Батарея ионисторов представляет собой герметичный корпус, в котором заключены ионисторы, каждый емкостью 500 Ф и напряжением 2,7 В. По предварительным расчётам для батареи на 2000 Ф потребуется 100 ионисторов, которые будут образовывать 5 рядов по 20 шт. в ряду. Ионисторы в ряду подключены параллельно и образуют емкость 10000 Ф, ряды ионисторов подключаются последовательно, образуя общую емкость в 2000 Ф и максимальным напряжением 13,5 В. Одинаковое напряжение заряда в каждом ряду обеспечивается стабилизаторами напряжения, ограничивающими максимальное напряжение величиной 2,7 В. На внешней части корпуса имеются клеммы для подключения источника питания, нагрузки и разъём контроллерного управления. Кроме того, устройство имеет функциональные кнопки управления для гибкой настройки режимов работы и других параметров контроллера и преобразователя, а также кнопку для ручного подключения цепей источника и нагрузки.
Схема накопления электрической энергии Схема накопления электрической энергии будет выглядеть следующим образом: солнечная батарея получает энергию от солнца и вырабатывает электрическую энергию. Затем к солнечной батарее подключается устройство согласования напряжения или контроллер заряда, который обеспечивает работу солнечной батареи в режиме максимальной мощности (MPPT - Maximum Power Point Tracker). К контроллеру подключается батарея ионисторов через модуль балансировки напряжения. Этот модуль необходим для равномерного заряда ячеек ионисторов, а также для предотвращения перезаряда отдельных ионисторов. Далее следует преобразователь разряда, подключенный к батарее ионисторов. Он преобразует постоянное напряжение от 3 до 13,5 вольт в переменное и повышает его до 220 вольт для дальнейшего использования.
Данная схема приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема накопления электрической энергии
Также, схему на рисунке 1 можно представить в виде принципиальной схемы установки в целом, рисунок 2.
Рисунок 2 - Схема принципиальная установки
На схеме (рисунок 2):
А - солнечная батарея;
B - контроллер заряда;
S1 - S5 - модули (платы) балансировки;
C1 - C5 - батарея ионисторов (5 рядов);
D - преобразователь напряжения (инвертор).
Разработка фотоэлектрической установки Перед разработкой модуля балансировки напряжения необходимо определиться с выбором источника питания. В качестве источника питания будет использоваться солнечная батарея. Для примера ее характеристики будут следующими:
- рабочее напряжение: 9 - 10 В;
- мощность: 10 Вт.
Разработка контроллера заряда Контроллер является «мозгом» всей системы. Он позволяет работать солнечным батареям в режиме максимальной мощности.
Рисунок 3 - Схема работы контроллера заряда
Разработка модуля балансировки напряжения Для равномерного заряда ионисторов, а также для предотвращения перезаряда необходимо использовать модуль балансировки или стабилизатор напряжения. В данном проекте будет использоваться стабилизатор напряжения шунтирующего типа. Принципиальная схема устройства показана на рисунке 2.
Рисунок 4 - Схема принципиальная стабилизатора
Данная схема взята из datasheet TL431, основана на стабилитроне TL431 и транзисторе КТ814А типа p-n-p. Ниже представлены технические характеристики данных элементов.
Характеристики TL431:
- напряжение на выходе: 2,5…36 вольт;
- выходное сопротивление: 0,2 Ом;
- прямой ток: 1…100 мА;
- погрешность: 1%.
Характеристики PNP КТ814А (при температуре окружающей среды 25˚С):
- максимально допустимый постоянный ток коллектора: 1,5 А;
- обратный ток коллектора, не более: 50 мкА;
- максимально допустимый постоянный ток базы: 0,5 А;
- максимальное напряжение между коллектором и эмиттером: 30 В;
- максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база: 5 В;
- напряжение насыщения между коллектором и эмиттером: 0,6 В;
- рассеиваемая мощность коллектора (используя радиатор): 10 Вт;
- статический коэффициент передачи тока: 40 - 275;
- максимально допустимая температура окружающей среды: -40… +100 ˚С;
- максимально допустимая температура перехода: 150 ˚С.
Ко входам Vi+ и Vi- подключается источник постоянного напряжения с изменяющейся величиной. Ячейка ионистора присоединяется к выходам Vo+ и Vo-.
Выходное напряжение Vо рассчитывается по следующей формуле:
(1)
где Vоп - опорное напряжение;
Опорное напряжение подбирается в зависимости от того какое напряжение необходимо на выходе. Для создания опытного образца будут использоваться ионисторы с рабочим напряжением 2,7 вольта.
Исходя из данной схемы, была построена модель в среде Proteus, которая демонстрирует работоспособность устройства. Модель представлена на рисунках 5, 6 и 7. Здесь видно, что в схеме используется резистор R5 номиналом в 1 Ом, который необходим только для правильной работы симуляции программы, в реальной модели он не нужен.
Рисунок 5 - Модель стабилизатора в программе Proteus с источником напряжения 2,7 вольта
Рисунок 6 - Модель стабилизатора в программе Proteus с источником напряжения 3 вольта
Рисунок 7 - Модель стабилизатора в программе Proteus с источником напряжения 3,5 вольта
На рисунках видно, что напряжение 2,7 вольта на конденсаторе сохраняется при изменении постоянного напряжения источника с 2,7 до 3,5 вольт. При напряжении 2,7 вольта на источнике питания, идущий через транзистор ток равен 0, это означает, что стабилизация не нужна. Когда напряжение повышается, значение тока, идущего через транзистор, повышается - напряжение стабилизируется. Таким образом, это доказывает, что схема полностью рабочая.
