ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Системы без накопителей энергии

Для сохранения энергии могут использоваться не только химические накопители. В промышленно развитых районах все шире используется закачка избыточной энергии в электросеть. В удаленных районах широкое распространение нашли механические накопители с водяными насосами, заполняющими резервуар, установленный на определенной высоте. В солнечных насосных станциях панели соединяются непосредственно с мотором насоса.

Рассмотрим, как пример, структуру такой станции. Эта система состоит из следующих основных элементов: фотоэлектрические панели, электромоторы, насосы, водяные резервуары. В качестве нагрузки панели служит мотор с насосом, в зависимости от типа насоса характеристика нагрузки будет различной (см. рисунок справа). Для насосов с порционным (объемным) подъемом воды линия нагрузки (1) в широком диапазоне токов может быть представлена горизонтальной прямой (в соответствии с условием постоянства вращающего момента). Следствием этого является то, что при низких освещенностях мотор не сможет работать, и будет служить резистивной нагрузкой для панели. Таким образом, нагрузочная линия (1) может быть представлена в виде двух участков, что приводит к значительному рассогласованию панели с насосом такого типа и, как следствие, к значительным потерям при прямом их соединении.

В центробежных насосах нагрузка увеличивается по мере увеличения скорости вращения (кривая 2 на рисунке справа), поэтому насос начинает работать при сравнительно низких освещенностях. Совместное использование обоих типов насосов позволяет приблизиться к точке оптимума панели (кривая 3). Однако эффективность центробежных насосов ниже, чем порционных и достигает максимума только при больших скоростях, поэтому часто предпочтение отдают насосам первого типа, вводя дополнительный блок преобразования напряжения между насосом и панелью.

Структура насосной станции. Схема системы с преобразователем из постоянного напряжения в постоянное напряжение, но другой величины, показана на рисунке слева. Напряжение панели Vin и напряжение на выходе преобразователя Vout измеряются электронной управляющей системой. Если напряжение отклоняется от напряжения соответствующего точки оптимума (на коэффициент k), то режим конвертера корректируется в соответствии с величиной k, чтобы обеспечить работу в точке оптимума, обеспечивая выполнение соотношений: Vout/Vin = k и Iout/Iin = 1/k, что обеспечивает постоянство выходной мощности панели. Преобразователь имеет собственные потери, однако его эффективность может достигать 95-98%, что делает его применение оправданным.

Преобразователи (DC-DC converters) могут быть как понижающими (step-down) так и повышающими (step-up), в зависимости от того, как должны соотносится напряжение панели и напряжение нагрузки. На правом рисунке приведены принципиальные схемы реализации таких конвертеров.

Понижающий преобразователь (DC-DC step-down converter)

Повышающий преобразователь (DC-DC step-up converter)

На рисунке вверху слева показан понижающий преобразователь, справа - повышающий. Показанный на рисунке схематически управляемый внешним сигналом электронный ключ работает с определенным периодом T, причем в течение времени Ton ключ находится в замкнутом состоянии. Индуктивность служит для накопления энергии.

Соотношение между временем включенного состояния и длительностью периода определяет величину k. Для понижающего конвертера она равна:

Vout/Vin = Ton/T = k.

Из этого соотношения видно, что в конвертере этого типа выходное напряжение никогда не превзойдет входного.

Для повышающего конвертера можно записать следующее соотношение:

Vout/Vin = 1/(1 - Ton/T) = k.

В этом случае выходное напряжение всегда больше или равно входному напряжению. Работа преобразователей обоих типов обеспечивает приблизительное выполнение соотношения:

Vin·Iin = Vout·Iout.

Отклонение от этого соотношения определяется потерями в электронном ключе, диоде, индуктивности. Соотношение Ton/T регулируется управляющей системой, которая измеряет входные и выходные напряжения. Возможно также измерение механической производительности. Система управления настроена таким образом, чтобы обеспечивать максимальную отдачу мощности путем поддержания оптимального Ton/T.


Работа над темой