Журнал -производственного предприятия “ КВАНТ“ (стр. 5 )

Исследования, проведенные рядом зарубежных научных центров и направ-ленные на определение оптимальной степени детализации исходных климатических данных (шага интегрирования) при динамическом моделировании работы солнечных установок, показали, что их адекватное описание с приемлемой погрешностью предсказания интегральных энергетических показателей обеспечивается при часовых интервалах представления солнечной радиации. Более мелкие шаги интегрирования не приводят к существенному повышению точности результатов, но ведут к резкому увеличению продолжительности расчетов. Увеличение шага интегрирования более 1 часа ведет к существенному росту погрешности расчетов. При моделировании работы автономных светосигнальных устройств с питанием от ФЭМ в качестве исходных данных использовалась детальная актинометрическая и метеорологическая информация в формате «типичного метеогода» – TMY [8] (годовые часовые последовательности потоков солнечной радиации, скорости ветра и температуры атмосферного воздуха), подготовленного для г. Москвы с помощью специальных процедур обработки среднемесячных климатических многолетних данных [9] специалистами Главной геофизической обсерватории им. .

Динамическое моделирование рассматриваемых автономных светосигнальных устройств с питанием от ФЭМ осуществлялось с применением системы моделирования TRNSYS, используемой в мире в качестве основного программного средства динамического моделирования солнечных и других установок на ВИЭ. Подходы к разработанным нами инженерным методикам расчета и динамическому моделированию более подробно описаны в [10, 11].

Рассматривались три варианта системы. Один включает в себя традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы типа AGM (Absorbed Glass Mate – на основе жидкого электролита, инкапсулированного в стекловолоконную пористую матрицу). Данное обстоятельство несколько противоречит основным принципам проектирования солнечных энергосистем, требующим применять гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы в подобных системах [12]. Однако следует иметь в виду тот факт, что сопротивление аккумулятора с гелевым электролитом при низких температурах резко возрастает, что практически исключает возможность его заряда при отрицательных температурах.

Для выбранного варианта с СКА предполагалось использование контроллера заряда EPSolar Tracer MPPT 1210. Это – относительно дешевый контроллер, допускающий работу потребителя как в течение всей ночи, так и в задаваемые интервалы времени, а также реализующий алгоритм контроля точки максимальной мощности (ТММ), что позволяет увеличить выработку энергии в пасмурную погоду, в утренние и вечерние часы [13].

Варианты с литий-ионными аккумуляторами включают в себя систему с литий-железофосфатными аккумуляторами компании Winston Battery [14], как наиболее дешевый вариант среди доступных литий-ионных аккумуляторов, обладающий к тому же достаточно широким диапазоном рабочих температур, и аккумуляторы с анодом на основе нанотитаната лития [15], которые, несмотря на свою дороговизну и относительно низкие удельные характеристики, обладают целым рядом достоинств, ценных для выбранной ниши применения. К таким достоинствам можно прежде всего отнести расширенный до - 50° С диапазон рабочих температур и высокие ресурсные показатели при глубине разряда 90 % (до 20000 циклов).

Параметры трех вариантов состава системы электропитания, выбранных исходя из обеспечения близкой к 100 % гарантированности электроснабжения рассмат-риваемого светосигнального устройства на основе инженерных расчетов приведены в табл. 2.

  Таблица 2

Параметры элементов выбранных конфигураций автономного светосигнального устройства

Тип аккуму-лятора	ФЭМ	АКБ
Площадь, м2	КПД, %	Эффективная энергоемкость, кВт·ч*	Номинальная энергоемкость, кВт·ч	КПД, %	Минимальное время заряда, час**	Минимальное время разряда, час**	Допустимая глубина разряда, %
Pb-Acid (AGM)	0,98	14,3	6,41	21	83	42,8	35,6	30
LiFePO4	0,98	14,3	6,41	9	84	42,4	35,6	70
Li4Ti5O12	1,2	14,3	6,41	7	69	51,6	35,6	90

* с учетом допустимой глубины разряда,

** по допустимой мощности контроллера 180 Вт.

Проверка достижимости высокой степени гарантированности электропитания, как отмечалось выше, осуществлялась на основе динамического моделирования системы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты динамического моделирования подтвердили близкую к 100 % степень гарантированность электропитания для всех трех выбранных вариантов конфи-гурации системы. Следует отметить, что в модели накопителя энергии учитывалась лишь его эффективная энергоемкость. Разряд ниже допустимой глубины для каждого типа аккумуляторов был запрещен условиями модели, что позволяло не учитывать потери их ресурсных характеристик по сравнению с паспортными данными при дальнейших экономических оценках. Характерные результаты динамического модели-рования для одного из рассмотренных вариантов системы приведены на рис. 1 - 3.

Расчеты проводились для климатических условий г. Москвы с сильной изменчивостью дневного поступления солнечного излучения на плоскость ФЭМ, особенно сезонной, иллюстрируемой рис. 1. На рис. 2 представлено изменение уровня заряда аккумуляторной батареи в течение года, из которого видно, что при выбранном составе системы аккумуляторная батарея находится вблизи максимального уровня заряда в период с марта по октябрь. Поздней осенью и в зимний период поступление солнечной энергии существенно снижается, и аккумуляторная батарея в некоторые дни особенно в феврале разряжается до предельно допустимого уровня. Рис. 3 иллюстрирует тот факт, что в январе и в феврале имеются периоды, когда АКБ разряжается ниже заданного предельного уровня. Вместе с тем для выбранных вариантов степень гарантированности электропитания устройства оказалась не ниже 97,7 %, что соответствует времени разряда аккумулятора ниже предельного уровня не более 200 часов за год (преимущественно в январе).

Разработанная инженерная методика расчета состава автономного фотоэлектрического светосигнального устройства позволяет рассчитывать технико-экономические параметры различных вариантов изделия. Варьируемыми параметрами при этом являются типы ключевых компонентов с достаточно широким набором параметров (пиковые мощности, емкости, стоимость, ресурсные и массогабаритные характеристики), задаваемая степень гарантированности питания, режим работы устройства. Оценка затрат на рассмотренные варианты системы электропитания приведены в табл. 3.

Данные по массогабаритным характеристикам аккумуляторного блока (как наиболее критичного с точки зрения габаритов, в то время как фотоэлектрические модули для всех трех вариантов имеют близкие массогабаритные характеристики) представлены в табл. 4.

Низкие показатели свинцово-кислотных аккумуляторов обусловлены низкой допустимой глубиной разряда. Попытка использования аккумуляторов с более высокой допустимой глубиной разряда (гелевые типа OpzV) только усугубляет ситуацию из-за необходимости термостатирования системы, исходя из паспортных характеристик аккумуляторов, и существенного роста стоимости самой батареи.

Наилучшие массогабаритные характеристики обеспечиваются при исполь-зовании литий-ионных батарей с нанотитанатным анодом. Несмотря на отсутствие выдающихся удельных характеристик у самих аккумуляторов этого типа, преимущества по массогабаритным параметрам обеспечиваются за счет большой допустимой глубины разряда.

  Таблица 3

Затраты на системы электропитания

Тип аккумулятора	Затраты
Наименование	Сумма, руб.	Доля, %
винцово-кислотные (AGM)	ФЭМ	7600	7,6
Опорная конструкция	2800	2,8
контроллер	4500	4,5
АКБ	72000	72,1
Кабель, шкаф электротехнический	13000	13,0
Итого	99900	100,0
итий-ионные (на основе литированного фосфата железа)	ФЭМ	7600	8,9
Опорная конструкция	2800	3,3
контроллер	7300	8,6
АКБ	55400	64,9
Кабель, шкаф электротехнический	12200	14,3
Итого	85300	100
итий-ионные (на основе наноструктурированного титаната лития)	ФЭМ	11000	3,5
Опорная конструкция	2800	0,9
контроллер	7800	2,5
АКБ	249500	80,1
Кабель, шкаф электротехнический	40200	12,9
Итого	311300	100

С учетом того, что одним из существенных недостатков СКА является малый срок службы, целесообразно оценить затраты на замены аккумуляторов в течение, например, 20 лет – такой срок службы фотоэлектрического модуля заявляется большинством производителей. При этом предполагается, что стоимость заменяемых аккумуляторов увеличивается на 20 % за счет затрат на их доставку и собственно замену. Результаты расчетов приведены в табл. 4. Так как оценка ресурса аккумулятора при переменной глубине циклов заряда-разряда без проведения длительных и дорогостоящих экспериментов практически невозможна, то рассматривался пессимистичный сценарий – за год происходит 365 разрядов до допустимой глубины.