Харьковский национальный университет радиоэлектроники Кафедра МЭПУ «ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ» Руководитель: ст. гр. ЕППм-11-1 проф. Гордиенко Ю.Е. Попелнуха Р.П. Харьков 2012 г.

Объект исследования – импульсные преобразователи энергии для солнечных элементов Метод исследований – дедуктивно-аналитический анализ существующих схемотехнических решений

ВВЕДЕНИЕ Солнечная энергетика наиболее перспективное направление энергетики, использующее современные достижения физики, материаловедения, электротехники. Солнце является неисчерпаемым источником энергии. Однако имеет место зависимость от погоды и времени суток. Как следствие, возникает необходимость аккумуляции энергии. Малые выходные напряжения преобразователей солнечной энергии требуют высокоэффективного преобразователя для зарядки аккумуляторов. Подавляющее число потребителей электрической энергии работает на переменном токе. Как следствие, появляется необходимость разработки преобразователей из постоянного тока в переменный ток.

Материалы для солнечных элементов - монокристаллический кремний - аморфный кремний - арсенид галлия (GaAs) - поликристаллические тонкие пленки диселенида меди и индия (CuInSe 2 ) - теллурид кадмия (CdTe) - диоксид титана (TiO 2 ), покрытый органическим красителем

Схема солнечной электростанции Рисунок 1 – Схема автономной солнечной электростанции

ВАХ солнечного элемента и эквивалентная схема Рисунок 2 – ВАХ p–n-перехода в GaAs и нагрузочные характеристики при значениях Rн 0,1 Ом (1), 1,026 Ом (2) и 10 Ом (3) (а) и эквивалентная схема освещенного p–n-перехода с сопротивлением нагрузки (б)

Нагрузочная характеристика импульсного преобразователя напряжения Рисунок 3 – Нагрузочная характеристика импульсного преобразователя напряжения I нп – пороговый ток нагрузки 1 - стабилизация выходного напряжения 2 – стабилизация выходного тока

Классификация источников питания Рисунок 4 – Классификация источников питания

Понижающий преобразователь Рисунок 5 - Схема понижающего преобразователя и диаграммы напряжений и токов

Повышающий преобразователь Рисунок 6 - Схема повышающего преобразователя и диаграммы напряжений и токов

Обратноходовой преобразователь Рисунок 7 - Схема обратноходового преобразователя и диаграммы напряжений и токов

Прямоходовой преобразователь Рисунок 8 – Схема прямоходового преобразователя и диаграммы токов и напряжений

Полумостовой преобразователь Рисунок 9 – Схема полумостового преобразователя и диаграммы напряжений и токов

Мостовой преобразователь Рисунок 10 – Схема мостового преобразователя и диаграммы напряжений и токов

Инвертор Рисунок 11 - Схема однофазного мостового инвертора с активной нагрузкой и диаграммы напряжений

Инвертор Рисунок 12 – Схема мостового инвертора с ШИМ Т – период выходного напряжения Т к – период коммутации ключей

Расчет фотоэлектрической системы Расчет системы включает следующие этапы: - Определение потребляемой энергии нагрузки и необходимой мощности инвертора; - Определение значения емкости аккумуляторной батареи и их количества; - Определение необходимого количества солнечных батарей.

Определение энергопотребления и мощности инвертора 1.1 Определение суммарной потребляемой энергии переменного тока в неделю W пер. 1.2 Расчёт энергии постоянного тока: где k - коэффициент, учитывающий потери в инверторе; k=1,2 1.3 Выбор значение входного напряжения инвертора U инв. Обычно это 12 В или 24 В, для мощных систем 48 В и более. 1.4 Расчёт числа Ампер-часов в неделю, требуемых для покрытия нагрузки переменного тока:

Определение энергопотребления и мощности инвертора 1.5 Определение суммарной потребляемой энергии постоянного тока в неделю W пост. 1.6 Расчёт числа ампер-часов в неделю, требуемых для покрытия нагрузки постоянного тока: 1.8 Расчёт количества Ампер-часов, потребляемых в неделю: 1.9 Расчёт значения потребляемых А*ч за сутки:

Определение емкости аккумуляторной батареи и их количества 2.1 Определить максимальное число последовательных "дней без солнца" N ббс (когда солнечной энергии недостаточно для заряда аккумуляторной батареи из-за непогоды или облачности) 2.2 Расчёт суммарной емкости аккумуляторов, учитывая количество дней без солнца N ббс : 2.3 Задать величину глубины допустимого разряда аккумуляторной батареи γ. Рекомендуется значение глубины разряда 20% - 50%. 2.4 Заряд аккумуляторной батареи с учетом глубины разряда:

Определение емкости аккумуляторной батареи и их количества 2.5 Выбрать коэффициент α из таблицы 1, который учитывает уменьшение емкости АБ при понижении температуры окружающей среды. Обычно это средняя температура в зимнее время. Таблица 1 - Температурный коэффициент для аккумуляторной батареи. Температура в градусах Коэффициент Цельсия Фаренгейта 26,7C80F1,00 21,2C70F1,04 15,6C60F1,11 10,0C50F1,19 4,4C40F1,30 -1,1C30F1,40 -6,7C20F1,59

Определение емкости аккумуляторной батареи и их количества 2.6 Общая требуемая емкость аккумуляторных батарей: 2.7 Количество батарей, соединенных параллельно: где q ном – номинальная ёмкость АБ. 2.8 Количество последовательно соединенных батарей: где U ном – номинальное напряжение АБ. 2.9 Общее количество аккумуляторных батарей:

Определение количества солнечных батарей 3.1 Определить количество пиковых солнце-часов в день для заданной местности i. Для этого среднемесячное поступление солнечного излучения в к Вт*ч/месяц необходимо разделить на количество дней месяца. Под пиковыми часами понимаются часы с интенсивностью 1000 Вт/м Количество А*ч за сутки с учетом потерь на заряд-разряд: где ζ - коэффициент для учета потерь на заряд-разряд, ζ =1,2 3.3 Ток, который должны генерировать солнечные батареи: 3.4 Число СБ, соединенных параллельно: где I mpp – максимальный ток одной СБ

Определение количества солнечных батарей 3.5 Число СБ, соединенных последовательно: 3.6 Общее количество СБ:

ВЫВОДЫ – Проанализирована структурная схема автономной солнечной электростанции; – Выполнен обзор основных характеристик солнечных элементов; – Выполнен обзор основных характеристик импульсных преобразователей энергии; – Проанализированы схемы импульсных преобразователей для зарядки аккумуляторов; – Рассмотрены схемы инверторов; – Наиболее эффективным импульсным преобразователем для зарядки аккумуляторов от солнечных батарей является понижающий преобразователь; – Предложена методика расчёта фотоэлектрической системы.

Спасибо за внимание.