Исследование и разработка системы автономного электропитания на основе фотоэлектрических преобразователей для электроснабжения технических средств охраны

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.

1. Обухов 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Соколов Ю.И. Арктика: к проблеме накопленного экологического ущерба // Арктика: экология и экономика. 2013. № 2. С. 18–27.

6. 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/s13705-020-00264-3

7. Arndt 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/s40518-018-0121-9

8. Mitrova T., Melnikov Yu. Energy transition in Russia // Energy Transitions. 2019. Vol. 3. P. 73–80. https://doi.org/10.1007/s41825-019-00016-8

9. Годин 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.

10. 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/s40565-018-0442-0

11. Агафонов 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/10.24411/0131-5226-2018-10028

12. Yao 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-x

13. Обухов 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.

14. 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.

15. 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/s40095-019-0313-0

16. Sarkar 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/s40807-016-0027-3

17. Ng 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/s40095-014-0075-7

18. Mirmasoudi 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/s40095-018-0279-3

19. Бузунов А.С., Черных А.Г. Методика теоретического расчета возможных сумм солнечной радиации // Актуальные вопросы аграрной науки. 2015. № 17. С. 33–39.

20. 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/10.18324/2077-5415-2017-4-115-121