Розробка вбудованої системи для оптимізації споживання енергії від сонячних панелей
Автор: Сирош Андріан Русланович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Радіоелектронні апарати та засоби
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Сирош А.Р., Фаст В.М. (керівник). Розробка вбудованої системи для оптимізації споживання енергії від сонячних панелей. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Об’єкт дослідження - вбудована система для оптимізації споживання енергії від сонячних панелей. Предмет дослідження –прогнозування можливості забезпечити максимальний відбір енергії від сонячних панелей при різних умовах сонячного освітлення: - яскраве сонце, панелі розтаашовані перпендикулярно до сонячних променів – Р = 100% (при розрахунках приймається рівним 100%), - легка хмарність – Р = 60-80% (при розрахунках приймаємо рівним 50%), - похмура погода – Р = 20-30% (при розрахунках приймаємо рівним 25%). Мета дослідження: вивчення можливості створити технічний засіб – вбудовану систему для оптимізації споживання енергії від сонячних панелей. Для цього у вбудованій системі використовуються зовнішні керовані пристрої - блок окремих комутованих сонячних панелей та блок окремих комутованих акумуляторів. При низькому освітленні сонячні панелі з’єднуються послідовно, при високому освітленні - паралельно. Акумуляторні батареї, кожна окремо, можуть перемикатися або на заряджання або на навантаження. Вбудована система виконує алгоритм комутації сонячних панелей та акумуляторних батарей. Крім того вона керує позиціюванням сонячних панелей у горизонтальному та вертикальному напрямках, щоб забезпечити перпендикулярність падіння сонячних променів. Для моделювання використовувався блок з чотирьох комутованих та блок з чотирьох комутованих акумуляторних батарей. Для вибору місткості акумулятора виходили із оптимальності струму заряджання акумулятора від сонячної батареї при середньому сонячному освітленні. Для макетування було вибрано сонячну панель моделі Altek AKM-10M з вихідною напругою 12 В та оптимальним вихідним струмом – 0,56 А. При похмурій сонячній погодіїї вихідний струм приблизно складає 25% від струму при яскравому сонці, тобто 0,14 А. Оптимальна величина струму заряджання є пропорційною ємності акумулятора і має приблизна співвідношення 1 до 10-и. Отже при похмурій вказана вище сонячна панель зможе оптимально зар’яджати акумулятор місткістю приблизно 1,4 А. З існуючих на ринку акумуляторів було вибрано гелева акумуляторна батарей DreamPower напругою 12 В і ємністю 1,2 А•год. Вона має оптимальний струм заряджання 0,12 А. Також заряджання може відбуватися при струмах від 0,06 до 0,72 А. Для макетування передбачається використання у блоці чотирьох таких гелевих акумуляторних батарей DreamPower напругою 12 В і ємністю 1,2 А•год. Бралося до уваги, що повна вихідна потужність сонячної панелі буде залежати від різних світлових умов падіння сонячного світла. Для моделювання розглядалася залежність максимальної вихідної потужності у % від повної потужності для різних трьох умов падіння сонячного світла: - яскраве сонце, панелі розтаашовані перпендикулярно до сонячних променів – Р = 100% (при розрахунках приймаємо рівним 100%), - легка хмарність – Р = 60-80% (при розрахунках приймаємо рівним 50%), - похмура погода – Р = 20-30% (при розрахунках приймаємо рівним 25%).. Для управління комутацією сонячних панелей та акумуляторних батарей використовується мікропроцесорна система (контролер вбудованої системи). Вхідні кола мікропроцесорної системи контролюють напругу на сонячній панелі та вихідну напругу акумуляторного блоку. У вхідному колі одна з чотирьох сонячна панель виконує роль датчика світлового випромінювання, яке потрапляє від сонця на поверхню сонячних панелей. Залежно від освітлення задаються логічні рівні для комутації при якій на виході блоку сонячних панелей забезпечується вихідна 12 В для різних умов освітлення. При похмурій погоді напруга на виході однієї сонячної панелі складає 25% ( 3 В) від свого номінального значення 12 В. Всі чотири сонячні панелі включені послідовно, відповідно сумарна напруга на виході блоку сонячних панелей складе: 3В + 3В + 3В + 3В = 12 В. При легкій хмарності напруга на виході одніє батереї складає 6 в. Кожні дві панелі з’єднуються паралельно, відповідно вихідна напруга буде: 6 ІІ 6 + 6 ІІ 6 = 12 В. При яскравому сонці напруга на одній панелі буде 12 В. Всі чотири панелі з’єднуються паралельно і напруга на виході блоку сонячних панелей буде 12 ІІ 12 ІІ 12 ІІ 12 = 12 В. Відомо що оптимальним струмом заряджання для свинцево-кислотних акумуляторів є струм , який складає 10% від вказаного струму номінальної ємності акумулятора. Тобто для використовуваних акумуляторів DreamPowerнапругою 12 В і ємністю 1,2 А•год оптимальний струм заряджання буде 0,12 А. При такому струмі відбувається найбільш ефективне використання енергії заряджання і крім того забезпечується максимальна кількість циклів заряджання/розряджання і відповідно максимальна тривалість експлуатації акумуляторної батареї. Тому зарядний струм стабілізується. Сумарні струми заряджання будуть залежати від кількості одночасно під’єднаних акумуляторів для заряджанні від блоку сонячних панелей. Тому контролер підключає таку кількість, яка є оптимальною для певного режиму освітлення. Наприклад, при яскравому сонці всі сонячні панелі включені паралельно і можуть забезпечувати максимальний струм. В такому разі можна проводити одночасно заряджання всіх чотирбох акумулятоів блоку акумуляторних батарей. При меншому освітленні кількість акумуляторів відповідно зменшиться. Крім оптимізації використання енергії сонячних панлей при заряджанні акумуляторів, вбудована система дозволяє виконувати оптимізацію використання акумуляторних батарей для найбільш ефективного споживання енергії від акумуляторних батарей. Як показано на рис. 1 г, чим вищий розрядний струм, тим меншою буде енергія, яку зможе віддати акумулятор Аналогічно для акумулятора є оптимальний струм розряджання, при якому він може віддати найбільшу енергію протягом певного часу. Тому в даному випадку також є потреба комутації акумуляторів, в даному випадку вже для підключення до навантаження. Контролер вбудованої системи дозволяє проводити аналіз енергетичної ситуації між сонячними панелями та акумуляторами і задавати комутацію, яка забезпечує найбільш ефективне використання енергії сонячних панелей. Ключові слова: сонячна панель, гелевий акумулятор, вбудована система, комутація. Перелік використаних літературних джерел. 1. Дослідження роботи фотоелектричного модуля: Метод. Вказівки вказівки для лаб. роб./ Уклад. В. В. Дубровська та ін. – К.: НТУУ «КПІ», 2017, - 32 с. 2. Електронний ресурс: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/037877539280037C 3. Електронний ресурс: https://prel.prom.ua/a315870-sonyachna-batareya-budova.html 4. Ненашев А.П. "Конструювання радіоелектронних засобів" - М: Вища школа 1990. 5. ВТ. Білінський, В.П. Гондюл, А.Б. Грозін, К.Б. Круковський - Синевич, Ю.Л. Мазор "Практичний посібник по навчальному конструюванню РЕ А" - Київ: Вища школа 1992.