XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Система автономного электроснабжения передвижного дома пасечника в условиях Республики Марий Эл

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гарипов И.И. 1

---

1МАОУ "Средняя общеобразовательная школа№30 г.Йошкар-Олы"

Яранцева Т.В. 1

---

1МАОУ "Средняя общеобразовательная школа№30 г.Йошкар-Олы"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Пчеловодством в Республике Марий Эл занимаются с древнейших времен. Медоносная база пчеловодства Марий Эл богата дикорастущими медоносами. Марийские леса это самый крупный лесной массив на Волге. Особенно ценные для пчеловодства липовые леса. Луга и поляны, вырубки и гари в лесах зарастают большим количеством травянистых медоносов. Что делает эти леса очень ценными для пчеловодства Марий Эл. Дикорастущие медоносы дополняются посевом полевых медоносов – донника, фацелии, синяка, гречихи, рапса и других медоносов. Основные сорта меда, которые получают в Марий Эл: липовый мед, липово-цветочный мед, донниковый мед, кипрейный мед, гречишный мед, а также мед из разнотравья.

В нашей республике хорошо развита деятельность по сбору мёда и актуальна задача надежного и экономичного электроснабжения удаленных от систем электроснабжения летних передвижных пасек. Обычно для таких пасек применяют жилые модули на базе прицепов или грузовых автомобилей. Решением задачи является использование автономного электроснабжения с использованием солнечных преобразователей, поэтому мы задались целью разработать автономную системы электроснабжения передвижного дома пасечника для летнего использования. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

Актуальность работы заключается в мобильности жилого модуля, который позволяет пасечнику проживать в нём во время выезда на медосбор.

Цель: разработать автономную систему электроснабжения передвижного дома пасечника для летнего использования.

Задачи:

1) Рассчитать количество электроэнергии, необходимой для бытовых приборов жилого модуля пасечника в течение суток.

2) Рассчитать необходимую мощность и выбрать солнечную панель.

4) Сделать обзор существующих видов аккумуляторов, выбрать оптимальный тип и рассчитать требуемую ёмкость аккумулятора.

5) Выбрать контроллер заряда аккумулятора для солнечной панели и инвертор 12/220В.

6) Подобрать резервный бензогенератор по рассчитанной мощности.

7) Произвести расчёт себестоимости солнечной электростанции.

1. РАСЧЁТ НЕОБХОДИМОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА СУТКИ

В нашем случае используется жилой модуль установленный на кузов автомобиля Газель (Рисунок 1). В таблице 1 представлены потребители электроэнергии и их характеристики — это напряжение питания 12 В постоянного или 220 В переменного тока, потребляемая мощность и время работы в течение суток, что позволило нам рассчитать количество электроэнергии, необходимое для работы данных приборов в течении суток. Это количество составило 2935 Вт*ч.

Таблица 1 – Характеристики потребителей электроэнергии

Рисунок 1 – передвижной жилой модуль пасечника

2. РАСЧЁТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

Дальше был произведен расчёт и выбор солнечных панелей. Для выбора солнечных панелей сначала необходимо изучить активность солнечной радиации для нашего региона. В таблице 2 представлена среднемесячная солнечная инсоляция для республики Марий Эл по месяцам. Нас интересует месяцы май, июнь, июль и август, так как раз в это время пасека работает. Как видно по таблице, в этот период инсоляция достаточно высокая и среднее значение за период времени с начала мая по конец августа в нашей республике составляет 5,5 кВт часов на квадратный метр в день. Дальше необходимо рассчитать мощность солнечных панелей.

Таблица 2 - среднемесячная солнечная инсоляция для республики Марий Эл

Ниже представлена формула для расчёта мощности солнечных панелей. Проведённые расчёты показали, что для обеспечения, количества необходимой нам энергии, при известной инсоляция, необходима мощность панели не менее 416 Вт. С учётом горизонтального расположения солнечных панелей и запаса на пасмурные дни, была принята мощность солнечных панелей, равным 500 Вт.

Формула для расчета мощности солнечных панелей:

Pсп = Wп*k* Pинс / Eинс, (1)

где:

Pсп - мощность солнечных панелей, Вт;

Wп - потребляемая энергия, Вт*ч в сутки;

Eинс - среднемесячная инсоляция (из таблицы) кВт*ч/м²/день;

Pинс – мощность инсоляции на земной поверхности на одном квадратном метре (600 Вт/м²);

k – коэффициент потерь на заряд – разряд аккумуляторов, обычно принимают 1,2-1,4.

Pсп = 2935*1,3* 600 / 5500 = 416 Вт

С учетом горизонтального расположения солнечных панелей и запаса на пасмурные дни примем мощность солнечных панелей 500 Вт.

Далее произведем выбор солнечной панели из представленных на рынке. На рисунке 2 представлены модели солнечных панелей и их основные характеристики (Рис.4), которые были выбраны к установке. Были выбраны две панели фирмы “SUNWAYS” с напряжением 12 В и мощностью 250 Вт. Они были включены параллельно с помощью специальных герметичных коннекторов и соединены медным изолированным проводом, сечением 10 мм².

Рисунок 2 - Солнечная панель SUNWAYS OS-250M

3. ОБЗОР ВИДОВ АККУМУЛЯТОРОВ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТИПА

Дальше был произведен расчёт и выбор типа аккумулятора. Ниже представлен расчёт ёмкости аккумулятора для обеспечения необходимой энергии. Аккумулятор выбирали с учётом того, что они не должны полностью разряжаться, разряд должен быть не более чем на 70%, что продлевает длительность жизни аккумуляторов.

Еак = 2935/12*1,3 = 318 А*ч (2)

При напряжении 12 вольт ёмкость аккумуляторов составила согласно расчётам 318 ампер часов. Следующим этапом нашей работы был выбор типа аккумуляторов, которые будут использоваться для наших целей. Для этого проведем анализ типов аккумуляторов для выбора оптимального для наших нужд, на рисунке 3 представлены варианты аккумуляторов.

LiFePO4 GELLi-Ion

(Литий железо фосфатный) (Гелевый свинцово-кислотный) (Сборка литий-ионных

аккумуляторов)

Рисунок 3 – варианты типов аккумуляторов

Проведем сравнительный анализ работы аккумуляторов, характеристики взяты из интернета и представлены в таблице 3.

Таблица 3- характеристики аккумуляторов

Примечания : DoD — глубина разряда (Depth of Discharge).

BMS — системауправлениябатареей (Battery Management System).

Для солнечных электростанций оптимальный выбор зависит от приоритетов:

LiFePO4 — лучший вариант для долгосрочных проектов: долгий срок службы (2000–5000 циклов), безопасность, работа в широком температурном диапазоне и высокий КПД (95–98%).

Li-ion — подходят, если важны компактность и малый вес (например, мобильные системы), но они дороже и требуют защиты от перегрева, пожароопасные, из-за большого количества ячеек ниже надёжность.

Гелевые — бюджетное решение для умеренных нагрузок и тёплого климата, однако их низкая энергоёмкость и короткий срок службы ограничивают применение, так же они имеют значительно больший вес.

Итог: LiFePO4 — оптимальны для большинства солнечных станций, гелевые — временный вариант при ограниченном бюджете. Выбираем для проекта аккумуляторы LiFePO4.

Дальше была выполнена сборка литий железо фосфатных аккумуляторов: куплены были ячейки с напряжением 3,2 вольта, с заводской ёмкостью 105 Ампер часов в количестве 12 штук, они были соединены в блоки по 3 штуки параллельно для увеличения ёмкости и эти блоки соединены 4 последовательно таким образом мы получили 12-и вольтовую аккумуляторную батарею ёмкостью 315 ампер часов. Для обеспечения нормальной работы аккумулятора и его защиты были выбраны BMS 4s фирмы Dali на 100А и активный балансир с током балансирования до 5А. На рисунке 4 представлены модель BMS и балансира напряжения, а также схема включения BMS.

Рисунок 4 – комплектующие для сборки аккумулятора

После сборки мы проверили наличие напряжения, которое показало 12,99 В. Подключившись по блютуз к BMS были проведены настройки. Мы защитили ячейки от перезаряда, максимальное напряжение 3,65 В заряда, также защитили от разряда ячейки, ограничив 2,5 В, хотя данные ячейки позволяют разряд до 2 В. Тем самым мы можем увеличить количество циклов, заряд-разряд. Так же были установлены для всей батареи максимальное и минимальное напряжение разряда 14,6 и 10,5 В соответственно. Защита от перегрузки по току установлен 100 ампер. После этого мы установили на зарядку данный аккумулятор и замерили его ёмкость, реальная ёмкость оказалась 345 ампер часов, что чуть больше, чем заявлено с завода. Процесс сборки и проверки работы аккумулятора представлен на рисунках 4 и 5.

Рисунок 5 – проверка работы аккумулятора

4. ВЫБОР НЕОБХОДИМЫХ КОМПЛЕКТУЮЩИХ ДЛЯ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Следующим этапом является выбор контроллера заряда аккумулятора для солнечных панелей, основным назначением контроллера является создание условий для нормального функционирования аккумуляторных батарей. Максимальный ток в цепи солнечных панелей можно рассчитать по формуле (3), представленный ниже. В нашем случае расчёты показали при полной мощности панели в 500 Вт и напряжение 12 вольт. Ток не превысит 41,6 А, с учётом небольшого запаса по току, выберем ближайший по току контроллер заряда на 50 ампер.

Iсп = Рсп/Uсп, А (3)

где:

Рсп – суммарная мощность панелей, Вт

Uсп – напряжение на выводах панелей при номинальной нагрузке, В

Iсп = 500/12 = 41,6 А

На рисунке 6 представлен внешний вид и основные характеристики контроллера заряда аккумуляторов, также вы можете увидеть схему включения данного контроллера.

На рисунке 7 показан монтаж солнечных панелей на крыше жилого модуля, а также монтаж контроллера заряда. Практика показала, что солнечные панели достаточно часто покрываются слоем пыли и есть необходимость в их очистки, поэтому для обслуживания солнечных панелей пришлось установить дополнительно лестницу, которая позволяет подниматься на крышу и очищать солнечные панели.

Рисунок 6 - внешний вид и основные характеристики контроллера заряда аккумуляторов

Рисунок 7 - Монтаж солнечных панелей и контроллера заряда

Как было сказано ранее, часть потребителей, получает питание на напряжение 12 вольт — это холодильник, внутреннее освещение домика, насосы, которые подают воду, как в раковину, так и в душевую. Эти потребители получают питание непосредственно от аккумулятора через BMS. Часть потребителей на 220В переменного тока, для их питания необходимо установить инвертор напряжения с 12 вольт постоянного на 220 вольт переменного. Мощность данного инвертора выбирается по мощности самого большого потребителя, которым у нас является кондиционер. Кондиционер потребляет 600 Вт, но в момент включения он имеет пусковой режим, при котором потребление может превышать данную мощность, поэтому необходим запас. С учётом запаса мы выбрали инвертор (рисунок 8) с чистым синусом и длительной мощностью 1000 Вт. А пиковая мощность 2000 Вт, позволяет без особых проблем, запуститься кондиционеру.

Рис.8 Инвертор 12/220 В

Так как функционирование солнечной электростанции сильно зависит от погоды, необходимо иметь резервный источник питания, если непогода затянется. В нашем случае резервным источником питания был выбран инверторный бензогенератор, максимальной мощностью 1,4 кВт, которая позволяет работать оборудованию нашего дома. Для заряда аккумуляторов при работе от генератора используется зарядное устройство "Орион PW-325" с максимальным током заряда в 20А, внешний вид которых представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – бензогенератор и зарядное устройство

5. РАСЧЁТ СЕБЕСТОИМОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В таблице 4 представлен расчёт себестоимости комплектующих, которые были использованы для сборки данной солнечной электростанции. Общая стоимость комплектующих солнечной электростанции составила 78280 р. Дополнительно выделенный резервный бензогенератор и зарядное устройство Орион пв-325.

Таблица 4 - расчёт себестоимости комплектующих

Заключение

Поставленная цель - разработать автономную систему электроснабжения передвижного дома пасечника для летнего использования, достигнута, поставленные задачи выполнены.

Современные солнечные панели и LiFePO4 аккумуляторы позволяют создать автономные системы электроснабжения длительной эксплуатации. Аккумуляторы LiFePO4 с циклом заряда-разряда, достигающим значений 3000 - 5000, при разряде до 70%, способны прослужить 15–20 лет при летней эксплуатации.

Стоимость комплектующих солнечной электростанции на 500 Вт с накопителем на 4,5 кВт*ч и инвертором 12/220 В на 1 кВт, сопоставима со стоимостью среднего ноутбука, что делает этот проект весьма привлекательной с точки зрения себестоимости.

Комфортные условия быта и использование электрической медогонки при выездных медосборах значительно облегчит условия труда пасечника и повысит эффективность производства.

В свободное от пасечных дел время этот передвижной жилой модуль может использоваться для путешествия с комфортом.

Список использованной литературы

1. В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгин, В.А. Кузнецова. Солнечная энергетика. Методы расчётов. М: МЭИ, 2008, 317с.

2. В. Германович, А. Турилин. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. СПб: Наука и техника. 2014, 320с.

3. Сенигов П.Н. Модель фотоэлектрической солнечной электростанции. Руководство по выполнению базовых экспериментов. МФЭСЭ.002 РБЭ (964.2) – Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2011. – 23 с.

4. https://электротехника.рф/info/publikatsii/raschet-solnechnoy-elektrostantsii-dlya-doma/

5. https://mywatt.ru/poleznaya-informaciya/solnechnaya-elektrostanciya-svoimi-rukami