ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2020-6-1243-1254ipolytech-452Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGИсследование и разработка системы автономного электропитания на основе фотоэлектрических преобразователей для электроснабжения технических средств охраныResearch and development of a PV converter-based stand-alone power supply system for technical security equipment power supplyМироновМ. А.MironovM. A.

Миронов Михаил Анатольевич, ведущий инженер Отдела научно-исследовательскихи опытно-конструкторских работ

141980, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, 20/41

Mikhail A. Mironov, Leading Engineer of the Department of Research and Development Works

20/41, Zholio-Kiuri, Dubna 141980

mironov_ma@dedal.ruКозловС. А.KozlovS. A.

Козлов Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, исполняющий обязанности генерального директора

141980, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, 20/41

Sergei A. Kozlov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Acting Director General

20/41, Zholio-Kiuri, Dubna 141980

kozlov_sa@dedal.ruАО «Научно-производственный комплекс «Дедал»РоссияDedal Joint Stock CompanyRussian Federation20201201202124612431254Copyright © Миронов М.А., Козлов С.А., 20212021Миронов М.А., Козлов С.А.Mironov M.A., Kozlov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/452

Целью работы является разработка методики для проектирования системы автономного электропитания на основе фотоэлектрических преобразователей для электроснабжения технических средств охраны. Объектом исследования является система автономного электропитания на основе фотоэлектрических преобразователей. Приведены накопители энергии, получившие широкое распространение при проектировании систем электропитания для электроснабжения технических средств охраны. Использована методика проектирования системы электропитания, в которой учтено интегральное влияние солнечной инсоляции, температуры окружающей среды в диапазоне от -40°C до +50°C, фотоэлектрического модуля и аккумуляторной батареи; мощности фотоэлектрического модуля; требований автономности работы технических средств охраны; электрических характеристик солнечного контроллера заряда (номинального напряжения холостого хода и номинального тока заряда). Для расчета суммарной солнечной инсоляции, приходящейся на поверхность фотоэлектрического модуля, использована модель Кастрова для расчета прямого солнечного излучения, модель Берлаге для расчета рассеянной солнечной энергии и модель Берлянда для расчета инсоляции в условиях облачности. Проведены исследования литий-титанатных аккумуляторных батарей в климатической камере и разработана соответствующая математическая модель зависимости емкости аккумуляторной батареи от температуры. Для определения солнечной инсоляции, падающей на наклонную поверхность фотоэлектрического модуля, разработано программное обеспечение на языке программирования C#. Спроектированная система электропитания на основе фотоэлектрического модуля обеспечивает автономное бесперебойное непрерывное электропитание аппаратуры при постоянном потреблении техническими средствами охраны не более 115,2 Вт∙ч в сутки. Результаты работы могут быть использованы при разработке системы автономного электропитания для электроснабжения технических средств охраны, безопасности, контроля.

The purpose of the work is to develop a methodology for designing a stand-alone power supply system based on photovoltaic (PV) converters for technical security equipment power supply. The object of the study is a PV converter - based stand-alone power supply system. Energy storage units, which are widely used in the designing of power supply systems for power supply of technical security equipment are presented. A methodology for designing a power supply system is used, which takes into account the integral effect of solar insolation, ambient temperature in the range from - 40°C to +50°C, temperature of a PV module and a storage battery; PV module capacity; requirements for independent operation of technical security equipment; electrical characteristics of the solar charge controller (rated open-circuit voltage and rated charge current). To calculate the total solar insolation arriving at the surface of a photovoltaic module, the Kastrov model is used for calculating direct solar radiation; the Berlage model is used for calculating the scattered solar energy and the Berland model is used for calculating insolation in cloudy conditions. The studies of lithium-titanate storage batteries have been carried out in the climate chamber and a corresponding mathematical model has been developed for the temperature-dependent capacity of the battery. To determine solar insolation falling on the tilted surface of the PV module the software has been developed in the C# programming language. The designed PV module-based power supply system provides an independent uninterrupted continuous power supply of equipment under constant consumption of no more than 115.2 Wh per day by technical security equipment. The results of the work can be used in the development of a stand-alone power supply system for power supply of technical security equipment, security and control.

система автономного электропитаниявозобновляемые источники энергиифотоэлектрический модульаккумуляторные батареитехнические средства охраныstand-alone power supply systemrenewable energy sourcesphotovoltaic (PV) module(storage) batteriestechnical security equipmentReferencesОбухов С.Г., Плотников И.А. Экспериментальные исследования дизель-генераторной установки на переменной частоте вращения // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. T. 326. № 6. С. 95–102.Obukhov SG, Plotnikov IA. The experimental researches of diesel generator set on variable speed. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2015;326(6):95–102. (In Russ.)Артюхов И.И., Степанов С.Ф., Ербаев Е.Т., Тулепова Г.Н., Жексембиева Н.С. Гибридная система электроснабжения с объединенным звеном постоянного тока // Вопросы электротехнологии. 2015. № 3. С. 96–100.Artyukhov II, Stepanov SF, Erbaev ET, Tulepova GN, Zhexembiyeva NS. Hybrid power supply system with a combined DC link. Voprosy elektrotekhnologii = Journal of Electrotechnics. 2015;3:96–100. (In Russ.)Волохов Н.А., Рындин И.А., Космынина Н.М. анализ и оценка эффективности использования различных источников электроэнергии в условиях Арктики // Творчество – шаг в успешное будущее. Артика и ее основание: матер. IX Всерос. науч. молодеж. конф. с междунар. участием с элементами науч. шк. им. проф. М.К. Коровина. 2016. Томск. С. 283–285.Volokhov NA, Ryndin IA, Kosmynina NM. Analysis and evaluation of application efficiency of various energy sources in the Arctic. In: Tvorchestvo – shag v uspeshnoe budushchee. Artika i ee osnovanie: materialy IX Vserossiiskoi nauchnoi molodezhnoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem s elementami nauchnoi shkoly imeni professora M.K. Korovina = Creativity as a step into a successful future. The Arctic and its foundation: proceedings of IX All-Russian scientific youth conference with international participation with the elements of the scientific school named after the Professor M.K. Korovin. Tomsk; 2016, p. 283–285. (In Russ.)Абсалямов Д.Р., Аитов Р.Н., Марченко М.А. Повышение энергоэффективности при эксплуатации системы электроснабжения наземных комплексов космического назначения путем применения дизельгенераторных установок с переменной частотой вращения // Труды военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2017. № 658. С. 85–92.Absalyamov DR, Aitov RN, Marchenko MA. Improving energy efficiency under operation of ground-based space complex power supply system by using variable speed diesel generator units. Trudy voenno-kosmicheskoi akademii imeni A.F. Mozhaiskogo. 2017;658:85–92. (In Russ.)Соколов Ю.И. Арктика: к проблеме накопленного экологического ущерба // Арктика: экология и экономика. 2013. № 2. С. 18–27.Sokolov YuI. Arctic: problem of the accumulated environmental damage. Arktika: ekologiya i ekonomika = Arctic: Ecology and Economy. 2013;2:8–27. (In Russ.)Amoah A., Kwablah E., Korle K., Offei D. Renewable energy consumption in Africa: the role of economic well-being and economic freedom // Energy, Sustainability and Society. 2020. Vol. 10. https://doi.org/10.1186/s13705-020-00264-3Amoah A, Kwablah E, Korle K, Offei D. Renewable energy consumption in Africa: the role of economic wellbeing and economic freedom. Energy, Sustainability and Society. 2020;10. https://doi.org/10.1186/s13705-020-00264-3Arndt C., Hartley F., Ireland G., Mahrt K., Merven B., Wright J. Developments in variable renewable energy and implications for developing countries // Current Sustainable/ Renewable Energy Reports. 2018. Vol. 5. P. 240–246. https://doi.org/10.1007/s40518-018-0121-9Arndt C, Hartley F, Ireland G, Mahrt K, Merven B, Wright J. Developments in variable renewable energy and implications for developing countries. Current Sustainable/ Renewable Energy Reports. 2018;5:240–246. https://doi.org/10.1007/s40518-018-0121-9Mitrova T., Melnikov Yu. Energy transition in Russia // Energy Transitions. 2019. Vol. 3. P. 73–80. https://doi.org/10.1007/s41825-019-00016-8Mitrova T, Melnikov Yu. Energy transition in Russia. Energy Transitions. 2019;3:73–80. https://doi.org/10.1007/s41825-019-00016-8Годин П.А., Годин М.А. Децентрализованное энергоснабжение объектов малой энергоемкости на основе гибридной энергоустановки с системой аккумулирования энергии // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 30. С. 241–246.Godin PA, Godin MA. Decentralized power supply of small power consumption objects based on hybrid power installation with energy accumulation system. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: stroitel'stvo i arkhitektura. 2013;30:241–246. (In Russ.)Ben Elghali S., Outbib R., Benbouzid M. Selecting and optimal sizing of hybridized energy storage systems for tidal energy integration into power grid // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2019. Vol. 7. P. 113–122. https://doi.org/10.1007/s40565-018-0442-0Ben Elghali S, Outbib R, Benbouzid M. Selecting and optimal sizing of hybridized energy storage systems for tidal energy integration into power grid. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2019;7:113–122. https://doi.org/10.1007/s40565-018-0442-0Агафонов Д.В., Эрк А.Ф. Выбор химического источника тока для буферной батареи возобновляемых источников энергии // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 95. С. 26–33. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10028Agafonov DV, Erk AF. Choice of a chemical cell for the buffer battery within renewable energy sources. Tekhnologiya i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018;95:26–33. (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10028Yao Liangzhong, Yang Bo, Cui Hongfen, Zhuang Jun, Ye Jilei, Xue Jinhua. Challenges and progresses of energy storage technology and its application in power systems // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2016. Vol. 4. Issue 4. P. 519–528. https://doi.org/10.1007/s40565-016-0248-xYao Liangzhong, Yang Bo, Cui Hongfen, Zhuang Jun, Ye Jilei, Xue Jinhua. Challenges and progresses of energy storage technology and its application in power systems. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2016;4(4):519–528. https://doi.org/10.1007/s40565-016-0248-xОбухов С.Г., Плотников И.А. Имитационная модель режимов работы автономной фотоэлектрической станции с учетом реальных условий эксплуатации // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 6. С. 38–51.Obukhov SG, Plotnikov IA. Simulation model of operation of autonomous photovoltaic plant under actual operating conditions. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2017;328(6):38–51. (In Russ.)Дмитриенко В.Н., Лукутин Б.В. Методика оценки солнечного излучения для фотоэлектрической станции // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 5. С. 49–55.Dmitrienko VN, Lukutin BV. Method for estimating solar radiation energy for photovoltaic plants. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2017;328(5):49–55. (In Russ.)Costa Rocha P.A., Fernandes J.L., Modolo A.B., Pontes Lima R.J., Vieira da Silva M.E., Dias Bezerra C.A. Estimation of daily, weekly and monthly global solar radiation using ANNs and a long data set: a case study of Fortaleza, in Brazilian Northeast region // International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2019. Vol. 10. P. 319–334. https://doi.org/10.1007/s40095-019-0313-0Costa Rocha PA, Fernandes JL, Modolo AB, Pontes Lima RJ, Vieira da Silva ME, Dias Bezerra CA. Estimation of daily, weekly and monthly global solar radiation using ANNs and a long data set: a case study of Fortaleza, in Brazilian Northeast region. International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2019;10:319–334. https://doi.org/10.1007/s40095-019-0313-0Sarkar M.N.I., Sifat A.I. Global solar radiation estimation from commonly available meteorological data for Bangladesh // Renewables: Wind, Water, and Solar volume. 2016. Vol. 3. https://doi.org/10.1186/s40807-016-0027-3Sarkar MNI, Sifat AI. Global solar radiation estimation from commonly available meteorological data for Bangladesh. Renewables: Wind, Water, and Solar volume. 2016;3. https://doi.org/10.1186/s40807-016-0027-3Ng Khai Mun, Adam N.M., Inayatullah О., Ab Kadir M.Z.A. Assessment of solar radiation on diversely oriented surfaces and optimum tilts for solar absorbers in Malaysian tropical latitude // International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2014. Vol. 5. https://doi.org/10.1007/s40095-014-0075-7Ng Khai Mun, Adam NM, Inayatullah О, Ab Kadir MZA. Assessment of solar radiation on diversely oriented surfaces and optimum tilts for solar absorbers in Malaysian tropical latitude. International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2014;5. https://doi.org/10.1007/s40095-014-0075-7Mirmasoudi S., Byrne J., Kroebel R., Johnson D., MacDonald R. A novel time-effective model for daily distributed solar radiation estimates across variable terrain // International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2018. Vol. 9. P. 383–398. https://doi.org/10.1007/s40095-018-0279-3Mirmasoudi S, Byrne J, Kroebel R, Johnson D, Mac-Donald R. A novel time-effective model for daily distributed solar radiation estimates across variable terrain. International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2018;9:383–398. https://doi.org/10.1007/s40095-018-0279-3Бузунов А.С., Черных А.Г. Методика теоретического расчета возможных сумм солнечной радиации // Актуальные вопросы аграрной науки. 2015. № 17. С. 33–39.Buzunov AS, Chernykh AG. Methods theoretical calculations of the likely amount of solar radiation. Aktual'nye voprosy agrarnoi nauki = Actual issues of agrarian science. 2015;17:33–39. (In Russ.)Шакиров В.А. Методика оценки прихода суммарной солнечной радиации на наклонные поверхности с использованием многолетних архивов метеорологических данных // Системы. Методы. Технологии. 2017. № 4. С. 115–121. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2017-4-115-121Shakirov VA. A technique for estimating global solar radiation on inclined surfaces using multi-year archives of meteorological data. Sistemy. Metody. Tekhnologii = Systems. Methods. Technologies. 2017;4:115–121. (In Russ.) https://doi.org/10.18324/2077-5415-2017-4-115-121

The authors declare that there are no conflicts of interest present.