автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка электронных устройств и систем управления энергообеспечением автономных объектов

ОАО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева»

На правах рукописи

РГБ ОН

Лейпунский Михаил Михайлович | 7 ^ " .л

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательски институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева».

Научный руководитель: доктор технических наук

старший научный сотрудник Колосов В.А.

Научный консультант:. кандидат физико-математически

наук, доцент Лобузов A.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

старший научный сотрудник * Гулякович Г.Н.

кандидат технических наук старший научный сотрудник Нэллин В.В.

Ведущее предприятие: Институт точной механики и

вычислительной техники им. С.А. Лебедева Академии нау!

Защита состоится « es » ¿2/7/0 _2000 г.

в -YS00_ на заседании диссертационного совет

Kl 15.04.01 Института электронных управляющих маши (ИНЭУМ) по адресу: 117812, Москва, ул. Вавилова, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек института.

Автореферат разослан «_£?_<? » MChÖjyg 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандида технических наук, доцент

¿^Г^~^^расовский В.Е.

ад.о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время существенно расширился качественно и количественно важный класс потребителей электроэнергии - автономные объекты, удаленные от электрических сетей, причем доставка энергоносителей на такие объекты невозможна или практически нецелесообразна. Наиболее приемлемым видом энергии для большинства автономных объектов является энергия Солнца, и в представляемой диссертации будут рассматриваться узлы и устройства автоматизированных систем автономного энергообеспечения, базирующихся именно на солнечной энергии. Солнечная энергетика на настоящий момент является почти единственной, запасы которой совершенно неисчерпаемы (количество энергии, получаемой Землей от Солнца за один час, равно общему количеству энергии, потребляемой людьми в год) и которая одновременно с этим практически не имеет экологических ограничений.

Недостатком солнечной энергетики является сравнительно •невысокая эффективность преобразования энергии Солнца в электрическую, поскольку используются неэффективные, громоздкие и ... дорогие панели фотоэлектрических преобразователей — так называемые солнечные панели (СП), к.п.д. которых пока реально не превышает 13...15%. При этом ' необходимо отметить, что СП сами по себе, без использования дополнительных элементов и устройств, в большинстве случаев не могут обеспечить поставку электроэнергии потребителю. Для выполнения этой задачи необходимо наличие контроллера, аккумулятора энергии, выходного адаптера (выходных адаптеров) и других узлов и устройств, которые в совокупности с СП и составляют систему энергообеспечения (СЭО).

В последнее время СЭО, базирующиеся на солнечной энергии, принято называть электростанциями солнечными (ЭС), и в представляемой диссертации используется именно этот термин. Роль солнечных панелей в ЭС аналогична роли генератора, например, в гидроэлектростанции,' а остальные узлы и устройства электростанции солнечной (контроллер, адаптеры и т.д.) составляют автоматизированную систему управления энергообеспечением (АСУ ЭО).

Тематик)' настоящей диссертации составляют исследования и разработки в области АСУ ЭО автономных объектов. В этой тематике наиболее актуальными являются два основных направления:

1) Максимальное повышение эффективности АСУ ЭО. Учитывая указанный выше крайне низкий 15-процентный к.п.д. солнечных панелей, каждый лишний процент, теряемый на узлах и устройствах системы управления, может существенно снизить технические характеристики солнечной электростанции в целом. Опасность дополнительного снижения эффективности особенно велика применительно к ЭС малой мощности (до 100 Вт),

2) Обеспечение помехозащищенности и других важнейших показателей надежности АСУ ЭО, равно как и всей электрической и радиоэлектронной аппаратуры автономных объектов в целом. Это наиболее актуально для такой аппаратуры автономных объектов, ремонт и восстановление которой часто практически невозможны без ее эвакуации с объекта. При этом «приемной антенной» для аварийно-опасных помех,, как правило, являются токопроводы АСУ ЭО. Источниками аварийно-опасных помех могут являться фозовые разряды, электромагнитное излучение северных сияний, близкорасположенные мощные линии элепронередачи, радиопередающие и ретрансляционные станции, члектрооборудование транспортных средств и т.д.

Целью представляемом диссертационной работы

является совершенствование •».чектронны.ч автоматических

систем уираачения солнечными электростанциями малой мощности, предназначенными для автономных (в том числе необслуживаемых) объектов. Это совершенствование направлено на повышение эффективности автоматизированных систем управления энергообеспечением, а также на повышение помехозащищенности • электрической и радиоэлектронной аппаратуры объекта в целом.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решаются следующие задачи:

- исследование существующих и возможных электронных узлов, устройств и систем упраачения энергообеспечением на основе солнечных панелей или батарей солнечных панелей;

- анализ структурных и электрических схем систем управления энергообеспечением автономных объектов, а также узлов и устройств, входящих в состав этих систем;

- выбор -элементов и разработка структурных и схемотехнических решений, обеспечивающих максимально достижимую эффективность АСУ ЭО автономных объектов;

- вывод и анализ расчетных соотношений для выбора элементов и схемотехнических решений АСУ ЭО, позволяющих максимально снизить импульсные помехи, наводимые в токопроводах;

исследование полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН) и разработка устройств на их основе;

- анализ экономических вопросов производства и применения электростанций солнечных.

Метолы исследования. В основе исследовании, выполненных в диссертационной работе, лежат аналитические методы расчетов электрических и магнитных цепей, включая операторный метод - преобразование Лапласа, использование основ теории полупроводниковых приборов, компьютерные расчеты. Достоверность полученных аналитических зависимостей и результатов компьютерных расчетов проверялась экспериментальными исследованиями,

выполненными на макетных и опытных образцах устройств АСУ ЭО.

Научная новизна настоящей диссертационной работы

представлена:

анализом и новыми техническими решениями структурных схем систем энергообеспечения, использующих в качестве источников энергии солнечные панели;

- новыми техническими решениями- электрических схем управления системами энергообеспечения на основе СП;

- схемой замещения СЭО на основе СП с учетом ЬС фильтра, ограничивающего несимметричные помехи;

выведенными математическими соотношениями основных параметров схемы замещения, анализом этих соотношений;

- схемотехническими решениями устройств подавления импульсных сетевых помех, оригинальность которых защищена Свидетельствами РФ на полезные модели.

Практическая ценность диссертационной работы

заключается:

в • систематизации узлов, устройств и'*" систем автоматизированного управления энергообеспечением автономных объектов, базирующихся на использовании солнечной энергии;

- в выборе компонентной базы и разработке структурных и электрических решений, обеспечивающих максимальную эффективность АСУ ЭО, базирующихся на СП;

- в разработке рекомендаций по снижению импульсных помех в АСУ ЭО;

- в разработке устройств подавления импульсных помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН).

Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы получены в Московском государственном институте радиотехники,

электроники и автоматики (МИРЭА), ОАО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов имени М.А.Карцева» (НИИВК) и ОАО «Вычислительная техника и промышленная электроника» (ВТ и ПЭ) в ходе выполнения ОКР «Разработка устройств подавления сетевых помех и устройств защиты от перенапряжений, • КЗ и хгропаданий напряжения» (шифр «Защитник»), «Разработка, изготовление и поставка устройств электропитания цифрового вычислительного комплекса для изделия Л-01» (шифр «Л-01-ЦВК») и «Разработка поупроводникового преобразователя постоянного напряжения» (Шифр «Свет-ПППН») в рамках «Комплексной программы по созданию электросолнечных агрегатов электропитания, устройств и систем' солнечной энергетики», утвержденной Госкомоборонпромом • России 30.09.1994 . г., и Федеральной целевой . программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности (1996-2000 г. г.)».

Разработаны и внедрены в серийное производство на заводе «Красное Знамя» (г. Рязань) электронные устройства, входящие в автоматизированную систему управления ЭС с выходной мощностью от единиц до десятков ватт, а также устройства' широкого назначения для подавления сетевых помех. Разработана и апробирована компьютерная методика оценки и повышения помехозащищенности аппаратуры автономных объектов при питании от солнечных источников электроэнергии.

Практическая реализация • результатов работы подтверждена прилагаемыми к диссертации актами внедрения.

Основные положения, пыиосимые на защиту.

1. По результатам анализа структурных схем электронных систем управления энергообеспечением автономных объектов сформулированы рекомендации к применению базовых структур.

2. Схемотехника специального преобразователя постоянного напряжения и мостового инвертора с выходным

синусоидальным напряжением 220В - 50Гц позволяет исключить громоздкий низкочастотный выходной трансформатор.

3. Контроллеры и зарядные устройства наиболее перспективны при использовании специально разработанных схем; при этом исключается необходимость выравнивания напряжений на отдельных элементах аккумуляторных батарей. •

4- Анализ несимметричных импульсных помех, воздействующих на аппаратуру автономного объекта, а также полученные аналитические выражения позволяют ограничивать помехи в пределах допустимых значений за счет выбора параметров режекторного дросселя _ и других компонентов схемы замещения.

5. Предложенные в работе устройства подавления импульсных помех, построенные на базе полупроводниковых ограничителей напряжения, рекомендуются к повсеместному применению в сетях постоянного и переменного тока.

6. Анализ экономических аспектов разработки и внедрения в промышленность солнечных электростанций типа ЭС-2 для автономных объектов позволяет сделать вывод об окупаемости затрат на создание таких станций в течение 3... 4 лет.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:

- на Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-98», Москва, февраль 1998 г.;

на Второй Международной конференции «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства», г. Минск (Беларусь), ноябрь 1998 г.;

- на Международной конференции стран СНГ «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения», Москва, ноябрь 1999 г.;

- на научно-технической конференции «Энергосбережение на рубеже веков», Москва, декабрь 1999 г.;

па Второй Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-2000», Москва, март 2000 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 печатных работ. Результаты диссертации защищены двумя Свидетельствами РФ на полезную модель (получены положительные решения о выдаче Свидетельств).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы общим объемом 105 страниц текста, а также приложений.

ю

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, сформулирована цель диссертационной работы, описаны задачи и метода исследования, показаны практическая ценность работы й результаты ее реализации, приведены сведения об апробации работы и о публикациях по теме диссертации.

В первой главе рассмотрены технические особенности систем энергопотребления и систем энергообеспечения автономных объектов. Выделена предметная область представленной диссертации - узлы, устройства и системы автоматизированного управления энергообеспечением. Выполненный краткий анализ возможных источников энергии для автономных объектов позволил также определить в качестве основного научного и. практического направления диссертации исследование и разработку узлов и устройств автоматизированных систем управления энергообеспечением для автономных объектов [1,4].

Проанализированы панели фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), которые мы в дальнейшем изложении будем именовать солнечными панелями (СП) и которые служат в качестве источников (генераторов) энергии в системах энергообеспечения - электростанциях солнечных (ЭС). На рис. 1 представлена типичная вольтамперная характеристика ФЭП. СП в целом имеет, естественно; ту же характеристику, которая отличается только масштабом по оси абсцисс, что и отражено на рисунке: на второй линии абсцисс проставлен масштаб для наиболее распространенной компоновки СП. По обеим линиям абсцисс масштаб указан с точностью ±5%. По оси ординат отложены некоторые нормированные значения тока, их конкретные величины зависят от площади ФЭП и плотности светового потока.

н

Приведены основные характеристики ФЭП и СП, выпускаемых российскими и зарубежными фирмами;

Выполнены обзор и анализ аккумуляторных батарей, .служащих в качестве накопителей энергии в АСУ ЭО (АСУ ЭС).

Рассмотрены основные электронные устройства АСУ ЭО автономных объектов: контроллеры, управляющие режимами выработки, накопления и потребления электроэнергии; • выпрямители, инверторы и конверторы, обеспечивающие преобразование формы электроэнергии.

На автономных объектах, имеющих сложную систему энергопотребления, когда разными потребителями - нагрузкам предъявляются разные требования к электропитанию, в АСУ ЭО предусматриваются специальные выходные адаптеры, как правило, индивидуальные-для каждой нагрузки. В некоторых случаях в АСУ ЭО вводятся зарядные устройства с питанием от других систем энергообеспечения.

Вторая глава посвящена схемотехнической реализации основных электронных устройств, обеспечивающих преобразование и стабилизацию напряжения, получаемого с солнечных панелей, а также защиты устройств станции и потребителя электроэнергии от недопустимых режимов.

Кратко описанные в предыдущей главе контроллеры, выпрямители, инверторы, конверторы и зарядное устройства . содержат полупроводниковые ключи (ПК), входящие в схемы силовой части, а также схемы управления (СУ).

ПК - основной узел перечисленных устройств - строится ■ на основе биполярных или полевых транзисторов. При нагрузке электронных устройств управления на потребителей-электроэнергии с большими токами включения, например, на электродвигатели конкуренцию этим двум типам транзисторов составляют биполярные транзисторы с изолированным затвором (ЮВТ). Большой устойчивостью к импульсным токовым перегрузкам обладают также тиристоры.

С точки зрения силовой части идеальным ключом является прибор, обладающий следующими характеристиками:

возможностью пропускания большого тока в прямом направлении при нулевом падежи напряжения на приборе;

возможностью выдерживать большое обратное напряжение в запертом состоянии прибора при максимальном его сопротивлении;

- неограниченной предельной частотой переключений; бесконечно малой мощностью, требуемой для управления прибором.

Области применения биполярных транзисторов охватывают широкую номенклатуру инверторов, конверторов, зарядных устройств и контроллеров. Использование транзисторов в контроллерах не требует их высокочастотности. В других устройствах транзисторы используются, как правило, в диапазоне частот от 20 до 100 кГц. Основное достоинство этих приборов - малое падение напряжения коллектор-эмиттер в открытом состоянии. '

УЗ

К основным достоинствам полевых транзисторов следует отнести:

1) Возможность управления прибором от источника напряжения.

2) Малые мощности узлов управления.

3) Простота узлов управления.

4) Минимальные временные задержки при включении и выключении.

5) Широкие области безопасной работы в запертом и открытом состояниях.

6) Возможность параллельного включения приборов.

Технология производства биполярных транзисторов с

изолированным затвором (ЮВТ - транзисторы) • позволила получить сочетание малых потерь в открытом состоянии с малыми временами переключения.

Проведён обзор СУ, которые в настоящее время конструируются, в основном, на специализированных микросхемах.

Микросхемы для СУ подразделяются на однотактные и двухтактные. Основные принципы стабилизации в зарубежных и отечественных микросхемах - широтно-. импульсная модуляция и частотно-импульсная модуляция. В "первом случае неизменной остаётся частота переключения, а изменяется ширина импульса, во втором - ширина импульса • или ширина паузы остаётся неизменной, а изменяется частота.

Наиболее распространёнными отечественными микросхемами являются однотактные 1021ХА1,

1033ЕУ1(2,3,5,10,11), 1087ЕУ1, 1156ЕУЗ, двухтактные 1114ЕУ 1(3,4,5), 1169ЕУ1(2); из числа зарубежных однотактные микросхемы иС3842, МС34065, МС33129, МС44602 - МС44606, МС34023 и двухтактные ТЬ494, ТЬ594, 801525,801526.

Выполнен обзор схемотехники инверторов - наиболее сложных узлов в наборе электронных устройств управления энергообеспечением автономных объектов.

Нг

Однотактные схемы инверторов подразделяются на прямоходовые и . обратноходовые. Первый тип схем накапливает энергию во время открытого состояния ПК в дросселе выходного фильтра, второй - в магнитопроводе выходного трансформатора.

Двухтактные схемы инверторов представлены схемой Роера, мостовой и полумостовой.

Особым классом инверторов являются инверторы, часто необходимые для автономных объектов' и обеспечивающие синусоидальную или трапецеидальную форму выходного напряжения при частоте 50 (60) Гц. Оригинальная схема построения такого инвертора, в разработке и макетировании* которой принимал участие соискатель, приведена на рис.2. При этом использована идея предварительного формирования на шинах питания собственно инвертора полусинусоидального напряжения (рис.3).

Рис. 2

Рис.3

Рассмотрена схемотехника контроллеров и зарядных устройств.

Контроллеры и зарядные устройства разрабатываются и выпускаются либо в виде отдельных изделий, либо в виде совмсщбнных (регуляторы заряда и защиты - РЗЗ). Первый вариант в основном относится к мощным изделиям, второй - к маломощным. Примером второго варианта является схема, разработанная при участии соискателя и показанная на рис.4.

•

Данная схема позволяет исключить необходимость выравнивания напряжения на отдельных элементах аккумуляторной батареи. При этом применены РЗЗ в количестве, равном числу элементов аккумуляторной батареи, рассчитанной, как правило, на 6 или 12 В.

+- *

-» +

ПСЭх

Е5 Е1

Ег рзз2 Е4

Еб Е3

н

АБ-

Ряс.4

Приведены результаты практических разработок электронных устройств для солнечной электростанции типа ЭС-2. Функциональная схема ЭС-2 показана на рис.5. Основные её параметры для двух модификаций приведены в табл.1.

Таблица 1

■Наименование Модель Выход мощн. Входное напряж. Выходное напряж. Емкость Габариты Вес

Панель солнеч. злементоп ПСЭ-2 10 Вт 15 В 345x300*10,мм 1.4 кГ

Контроллер с аккумулятором ПРА-2 10 Вт 15 В 12 В 2 Ачас 200x112x50 мм 1.5 кГ

Внешний-адаптер ВА-2 2.5 Вт 12 В 3-9 В 150x82*45 мм 0.4 кГ

Зарядн. устр-во ЗУ-2 40 Вт 220 В, 50 Гц 15 В 150x82x45 мм 0.5 кГ

Электростанция ЭС-2 10 Вт 15 В 220 В, 50 Гц 3-9 В. 12В, 15 В 2 Ачас З.Х кГ

Панели солнсч. элсментои ПСЭ-2А 30 Вт 15 В 345x300x10мм хЗ 4.2 кГ

Контроллер с аккумулятором ПРА-2А 30 Вт 15 В 12 В 6.5 Ачас 200x112x70 мм 3.2 кГ

Электростанция ЭС-2А 30 Вт 15 В 220 В, 50 Гц 3-9 В, 12 В, 15 В 6.5 Ачас 8.3 кГ

220 В, 50 Ги

12 В .3-9 В 15 В

Рис. 5

Использованы обозначения: ПСЭ - ■ панель солнечных элементов, ПРА - питание радиоаппаратуры, включающее в себя контроллер с аккумуляторной батареей, ВА - внешний адаптер, состоящий из стабилизированного регулятора* выходного напряжения, ЗУ - зарядное устройство.

В третьей главе анализируются вопросы помехозащищенности аппаратуры автономных объектов от импульсных помех естественного и искусственного происхождения при питании от солнечных источников электроэнергии.

Даётся общая характеристика импульсных помех. Импульсные помехи в аппаратуре автономных объектов появляются; главным образом, из-за внешних наводок. Наибольшие значения амплитуд импульсных помех в системах рассматриваемого класса наводятся при грозовых разрядах на токопроводах, соединяющих солнечные панели с аппаратурой.

Вторая по значимости причина наводимых помех - это наличие в окружающем пространстве импульсных полей, создаваемых различного рода источниками искусственного происхождения: линиями передачи, радиопередающими устройствами, высоковольтными установками и т.п.

Для большинства групп помех требуются специальные помсхоподавляющис устройства. Наиболее распространены среди этих устройств пассивные фильтры. Основным показателем фильтра является вносимое затухание помех,

измеряемое или рассчитанное по отношению амплитуд напряжения помехи без фильтра и с фильтром.

Помехоподавляющие устройства должны проектироваться с учетом следующих требований:

1) Надежность устройства должна быть на порядок и более выше надежности защищаемой аппаратуры.

2) Уровень максимального напряжения на выходе устройства во время действия импульса помехи должен быть возможно ближе к номинальному напряжению питания во всём диапазоне рабочих температур.

3) Время срабатывания устройства должно быть минимально возможным.

4) Устройство должно располагаться непосредственно вблизи защищаемой аппаратуры.

5) Цена, вес и размеры устройства должны составлять незначительную часть цены, веса и размеров аппаратуры. ,

По токопроводам токи помех могут распространяться по симметричному (между проводами) и несимметричному (между проводом и землёй) путями. Протяжённость токопровода может составлять десятки метров. ЭДС помехи при этом может достигать десятков сотен вольт.

Первый вид помех ограничивается фильтрами контроллера, выходного адаптера, нагрузки - конденсаторами, устанавливаемыми на их. входах и выходах, а также другими приборами, снижающими симметричные помехи, например, полупроводниковыми ограничителями напряжения [6].

Второй вид помех труднее поддается устранению. С этим видом помех обычно борются с помощью режекторных дросселей, намотанных совместно двумя проводами на сердечнике с воздушным зазором, и конденсаторов, соединяющих каждый из двух проводов токопровода с корпусом [7].

На рис. ба индуктивный фильтр (Ьф) - рсжскторный дроссель показан на входе контроллера (К). "Корпусные" конденсаторы установлены на входе нагрузки (Н). Прочие обозначения на рис. ба: АБ - аккумуляторная батарея,

ВА - выходной адаптер, ЗУ - зарядное устройство (показано пунктиром, так как используется не в штатном режиме - при наличии сети 220В, 50Гц), ТП - токопровод, УОх - ПОН, -сопротивление нагрузки, 11,, - внутреннее сопротивление солнечной панели, — сопротивления токопровода, Км — внутренние сопротивления контроллера и выходного адаптера, II, - сопротивление провода заземления, С! ... С5 - ёмкости конденсаторов фильтров между проводами токопровода, • Ьь - паразитные индуктивности токопровода, Ь, - индуктивность провода заземления, е/2 - импульсная ЭДС несимметричных помех, . воздействующая на каждый из проводников токопровода, Е„ - ЭДС постоянного тока солнечных панелей. .

На рис. 66 приведена упрощенная эквивалентная схема для варианта анализа несимметричных помех. Схема получена при условиях: » и + Ь2; Сх+Сг+Сз^+Сб» Сф; 11 = +112 + + Л* + Яц» И; 11в» Х<; где Хс - реактивное сопротивление ёмкости С5; Е„ не влияет на процессы от

* -г

• 220 в 1 зу |

1___Г "

ФСф

Рис.6 . Полная (а) в упрошенная (б) схемы

замещения цепа питания автоиоиного объекта от солнечной панели

б)

несимметричных помех.

Операторное выражение напряжения на режекторном дросселе для схемы на рис. 66 имеет вид:

При сигнале на источнике ЭДС в виде единичного скачка напряжения имеем е = Е.

Введём обозначения: а = —?———^ и Ь = а2 - 7-—?—,

тогда

и,(р) = Е7Г-Ь

(Ьф + Ь,)(р + а + Ь)(р+а-Ь)

При Я £ 2(—-имеет место апериодический процесс, для

I С*

которого:

Ьх 4- Ь,

Если К <2.

Ц + Ь,

СФ

процесс, для которого:

, то имеет место колебательный

и*(0 = Е-Ь---1 е-"»1п(ш01-у),

ЬФ+Ь> ©0лДЬф+Ь3)Сф

где ю0 = 1|7;-^—^—а1, у = Агсят—

л/а2 +®о

На рис. 7,8 приведены нормированные расчётньн зависимости и^) при следующих исходных данных: Л = 1,0 Ом, Ь, = 0,1 мкГн, Ьф= 10,0 мкГн, Сф= 1,0 мкФ - рис. 7, то же при Ьф = 1,0 мкГн, Сф=1,0 мкФ - рис.8.

Для демонстрации переходных процессов принять исходные данные для колебательных режимов, реальнс соответствующих выбираемым на практике соотношениям значений Ьф и Сф.

Зависимости под номером 1 - расчётные переходньк процессы от положительного единичного скачка напряжения I момент времени I = 0. Зависимости под номером 2 - расчётные переходные процессы от отрицательного единичного скачкг напряжения в момент времени 1 = тп. Зависимости по; номером 3 - расчётные переходные процессы от воздействие прямоугольного положительного, импульса ' напряжения с длительностью тп.

Из рис. 7, 8 легко увидеть, что длительность импульса помехи тп и её соотношение с периодом переходного процесса от единичного скачка может снижать или увеличивать амплитудное значение напряжения при переходном процессе, т.е. амплитудное значение зависит от величины тп.

На рис. 7 имеет место малое затухание колебательного процесса при меньшем периоде колебаний (Т) по сравнению с процессами на рис. 8. На рис. 8 из-за тп<0.25Т значение иф(тп) меньше, чем на рис.7.

Наиболее важный параметр - амплитуда импульсной помехи на нагрузке ин (см. рис. 6а) - определяется из соотношения:

Ьф +

Рис.7. Графики переходных процессов "Ь»'^----------

ЕЬ„

для схемы рис. 6 б

при И. = 1 Ом; Ь3 = 0,1 мкГн; Ьф = 10,0 мкГн; Сф = 1,0 мкФ; Т„ = 0,3 Т

Рис.8« Графики переходных процессов и ф

ЕЬ„

для схемы рис.бб

при К = 1 Ом; Ь3 = 0,1 мкГн; Ьф = 1,0 мкГн; Сф = 1,0 мкФ; Т„ = 0.1 Т

Таким образом, с целью снижения уровня импульсны: помех у потребителя до допустимых значений необходим! учитывать как соотношение величин Ц и С+, так и получении формулы для иф(0 с учётом его зависимости от хп Уменьшение Ь3 возможно известными способами снижени длины проводника заземления и выполнения его с помощьи многожильных оплёток. .

Показано, что полупроводниковые ограничите; напряжения при их перегрузке и выходе из строя могут ско: угодно длительное время находиться в состоянии обрыва, ] защищая аппаратуру. В рамках ОКР "Защитник", проводимой ОАО "ВТ и ПЭ", соискатель участвовал в разработке устройс подавления сетевых помех для сетей постоянного и переменно] тока (УПСП) с индикаторами, сообщающими о состоянии ПО в УПСП. На два таких устройства от Российского агентства I патентам и товарным знакам получены Решения- о выда1 свидетельств на полезную модель [2, 3].

В четвертой главе рассмотрены элемент! организационно-финансового механизма производства ] реализации солнечных электростанций. В соответствии < решениями Первой межотраслевой научно-практическо! конференции по солнечной энергетике (С.-Петербург, 1995 г. ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» поручены разработка ] производство преобразовательных устройств и контроллеров обеспечивающих построение ЭС с выходной мощностью а 10 Вт до нескольких сотен ватт.

В 1998 году в НИИВК был подготовлен бизнес-пла! проекта организации производства солнечных электростанци! малой и средней мощности; в разработке этого бизнес-план; принял участие автор настоящей диссертации. В настояще* время проект откорректирован и принят к исполнению. Первы< продажи реализуемой продукции запланированы на конец 200( шда [5]. Первоначальные инвестиции в разработку запланированы Российским агентством по системам управление а также за счет собственных средств участников проекта

Подготовлен договор о финансировании проекта со стороны Федеральной пограничной службы (ФПС) России.

Учитывая широкую номенклатуру необходимых для реализации проекта узлов и устройств, проектом предусмотрена широкая кооперация исполнителей. В качестве головного предприятия определен НИИВК, которому поручены научно-исследовательские работы, разработка электронных узлов ЭС, выпуск основной части КД, часть производства электронных устройств, организация и координация' работ предприятий-соисполнителей. Ключевым соисполнителями являются ОАО «Красное Знамя» и ЗАО «ОКБ завода «Красное Знамя» (Рязань), ОАО «ВТ и ПЭ» (дочернее предприятие НИИВК, Москва), Фонд «Энергетическая электроника» (Москва).

Бизнес-планом предложены к освоению 3 модели ЭС:

- ЭС-1 мощностью 200 Вт, 220 В 50 Гц /110 В 60 Гц / =12 В, предназначена широкому кругу потребителей, в основном, в сельской местности для питания теле- и радиоаппаратуры, компьютеров, холодильников, насосов,. компрессоров, вентиляторов. Аккумуляторной батареей ЭС-1 может не комплектоваться, предполагается использование АБ автомобиля. При этом цена в первый год производства составляет* около $1,5 тыс. При комплектации аккумуляторной батареей емкостью 45 Ач и панелью электроизмерительных приборов цена составит около $1,8 тыс.

- ЭС-2 мощностью 10 Вт (аккумуляторная батарея - 12В х 2 Ач) или ЭС-2 А мощность»? 30 Вт (АБ - 12В х 6,5 Ач), выход =3..,9 В регулир./= 12В [8]-предназначена туристам, геологам, дачникам и др. для питания маломощных радиоприемников, магнитофонов, плейеров, осветительных устройств и т.д. В первый год производства цена ЭС-2 - около $215, ЭС-2А -около $360;

- ЭС-3 - станция, построенная по модульному принципу. Может обеспечить питанием ферму, небольшой поселок, больницу, специальную аппаратуру. Модуль ЭС-3 мощностью 100 Вт (аккумуляторная батарея 12В х 15 Ач), выход ,220 В 50 Гц /110 В 60Гц / =12 В. Пять модулей конструктивно

объединяются в блок 0,5 кВт (ЭС-ЗА), два и более блоков могут быть объединены в станцию 1,0 кВт (ЭС-ЗБ), 1,5 кВт (ЭС-ЗВ) и т.д. В первый год производства цена ЭС-ЗА составит около $1,5 тыс., ЭС-ЗБ - около $3,0 тыс., ЭС-ЗВ - около $4,5 тыс.

В наборе каждой из электростанций имеются зарядные устройства, предназначенные для заряда АБ от электросети 220В 50Гц (ИОВ 60Гц). Возможность выбора вариантов, комплектации для каждой станции дополнительно увеличивает круг потребителей, расширяя нишу рынка.

К станциям ЭС-3 проявлен большой интерес со стороны ФПС (см. выше). При поставке в интересах ФПС и МО России за счет дополнительных испытаний и ряда конструктивных изменений цена возрастет на 50... 80%.

Предполагается, что рынок не будет ограничен Россией и СНГ. Уже в настоящее время есть предложения от Индии, Сингапура и ряда африканских стран на поставки электростанций типов ЭС-1 и ЭС-3.

Анализ числа потребителей разных типов станций позволил дифференцированно подойти к количеству необходимых. ЭС-1, ЭС-2, ЭС- 3 по годам (2000-2004 г.г.). Предлагаемое к выпуску • количество станций (тыс. тт.) показано в табл. 2. • ■ ■

Таблица 2

ТипьЛгоды 2000 2001 2002 2003 2004

ЭС-1 0,05 2,0 10,0 ' 18,0 32,0

ЭС-2, ЭС-2А 0,05 1,0 3,0 6,0 10,0

ЭС-3 (модули) - 4,0 20,0 40,0 60,0

В результате проведенного анализа сделан вывод об окупаемости затрат на создание электростанций солнечных в течение 3... 4 лет.

В ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» и ОАО «ВТ и ПЭ» также прорабатывались организационно-финансовые механизмы участия в выпуске и реализации продукции как в

виде комплексных ЭС, так и виде их отдельных узлов и устройств. Постоянный спрос обеспечивается наличием в мире большого числа автономных объектов, удаленных от сетей центрального энергообеспечения, а также необходимостью в электроэнергии для объектов в различных населенных пунктах при пропаданиях напряжения в электросетях.

Проблему конкуренции предполагается решать за счет . снижения стоимости ЭС путем совершенствования производства и внедрения в него ряда патентов на изобретения и свидетельств на полезные модели, обладателем которых является НИИВК. При главном конструкторе постоянно действует совет, составленный из высококвалифицированных специалистов в области разработки, производства,'маркетинга, рекламы и продаж.

Проведен анализ рынка, отработаны стратегия маркетинга и сбыта. Генеральной линией маркетинга предполагается принять завоевание как можно большей доли рынка за счет грамотного ценообразования, высокого качества и проведения широкомасштабного рекламирования продукции. Планируемая стратегия маркетинга должна строиться на сочетании горизонтальных (поставки продукции различным потребителям головным ' предприятием или его соисполнителями) и вертикальных (поставки продукции через различные уровни системы сбыта) продаж..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Выполнен обзор принципов построения энергообеспечения автономных объектов при использовании в качестве первичных источников электропитания панелей и анализ проблем солнечных электростанций малой мощности.

2. Проведен анализ электронных систем и устройств управления энергообеспечением автономных объектов, по результатам которого рекомендовано к применению несколько базовых структурных схем.

3. Проанализированы электрические схем! высокочастотных • инверторов, что позволило разработат инвертор с выходным синусоидальным напряжением 220 В 50 Гц при использовании для питания инвертор формирователя однополярных полусинусоид.

4. Рассмотрены схемы котроллеров и зарядных устройсп Предложено, их объединение в целях включения нескольки солнечных панелей и аккумуляторных батарей без применени симметрирующих устройств для аккумуляторных батарей.

5. Приведены результаты разработки и освоения мелкосерийном производстве солнечных электростанций тип ЭС-2.

6. Выполнен анализ импульсных помех естественного : искусственного происхождения, воздействующих н аппаратуру автономного объекта при питании потребителе электроэнергии от солнечных панелей.

7. Получены соотношения для выбора параметро основных элементов схемы замещения сис'гемы управлени энергообеспечением автономного объекта с питанием о солнечной батареи.

8. Разработаны новые устройства подавления сетевы помех . на основе полупроводниковых • ограничителе напряжения, зещшценные положительными решениями выдаче Свидетельств РФ на полезные модели.

9. Показана экономическая целесообразность разработки : производства солнечных электростанций рассматриваемог класса.

Публикации по теме диссертации:

1. Лейпунский М.М. Особенности современног применения солнечных источников энергии. Депонирование рукопись ДО 8806, 01.11.1999. Сборник рефератов НИОКР серия А'Г, ГУ11 «ВИМИ», М, 2000, № 1.

2. Аврутин А.И., Башилов Б.П., Иванова О.В., .Колосо В.А.,. Лейпунский М.М. Устройство для подавления сетевы помех в сети питания с постоянным напряжением, МГПС Н02Ь:

9/02. Свидетельство РФ на полезную модель, заявка № 99120491/20 20.09.1999, положительное решение 14.12.1999.

3. Аврутин А.И., Борунов Н.П., Колосов В.А., Кузнецов В.А., Кумахов Б.Х., Лейпунский М.М. Устройство подавления сетевых помех. МПК Н02Н, 9/02. Свидетельство РФ на полезную модель, заявка № 99120491/20 01.11.1999, положительное решение 27.01.2000.

4. Лейпунский М.М. Применение солнечных источников энергии в устройствах водоснабжения автономных объектов. Международная конференция стран СНГ «Молодые ученые -науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения». Сборник трудов, М., 1999, с. 46.

5. Колосов В.А., Лейпунский М.М. Элементы организационно-финансового механизма реализации солнечных электростанций' малой мощности. Научно-техническая конференция «Энергосбережение на рубеже веков». Тезисы докладов, М., 1999, с. 41.

6. Аврутин А.И., Колосов В.А., Лейпунский М.М. Построение устройств подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения // .Радиопромышленность, 2000, № 1, с. 42-46.

7. Лейпунский М.М. Защита радиоэлектронной аппаратуры автономных объектов от импульсных помех при питании от солнечных источников электроэнергии // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, 2000, вып. 1 ( в печати).

8. Лейпунский М.М. Солнечная электростанция типа ЭС-2. Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Устройства и системы энергетической электроники» УСЭЭ-2000. Сборник трудов, М., 2000 (в печати).

Список буквенных обозначений.

Введение. в

Глава 1. Узлы и устройства систем энергообеспечения автономных объектов: обзор технических решений и анализ проблем.

1.1. Технические особенности систем энергопотребления и энергообеспечения автономных объектов.

1.2. Выбор источников энергии для систем энергообеспечения автономных объектов.

1.3. Панели фотоэлектрических преобразователей как источник энергии электростанций солнечных для автономных объектов.¿

1.4. Аккумуляторные батареи для систем энергообеспечения автономных объектов.

Выводы по главе 1 .¿

Глава 2. Схемотехнические особенности построения электронных устройств управления энергообеспечением автономных объектов при питании от солнечных источников электроэнергии.

2.1. Структурные схемы электронных систем управления солнечных электростанций для маломощных автономных объектов.

2.2. Элементная база электронных устройств системы управления.№

2.3. Схемотехника инверторов.¿/ц

2.4. Схемотехника контроллеров и зарядных устройств аккумуляторных батарей.

2.5. Практические разработки электронных систем и устройств управления энергообеспечением автономных объектов от солнечных панелей.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Вопросы помехозащищенности аппаратуры автономных объектов от импульсных помех при питании источников энергии.

3.1. Общая характеристика импульсных помех.55"

3.2. Анализ помех несимметричного вида.$

3.3. Устройства подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Технические особенности и элементы организационно-финансового механизма производства и реализации солнечных электростанций.

4.1. Исходные предпосылки проекта организации разработки и производства ЭС малой и средней мощности.'

4.2. Технические характеристики ЭС, предлагаемых к разработке и выпуску.

4.3. Производство и производственные риски.

4.4. Оценка существующего положения в области производства ЭС в кооперации ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» и ОАО «Красное Знамя».

Выводы по главе 4.

Актуальность представляемой работы определяется тем, что в последнее время существенно расширился качественно и количественно важный класс потребителей электроэнергии - автономные объекты, удаленные от электрических сетей [1,2], причем доставка энергоносителей на эти объекты технически невозможна или практически нецелесообразна.

На земной поверхности примером таких объектов могут служить автономные радиофицированные комплексы («буи»), предназначенные для целей аэронавигации, экологического, метеорологического и т.п. мониторинга и расположенные (в буквальном смысле слова -«заброшенные») в труднодоступной местности - в тайге, на Севере, особенно на побережье и островах Северного Ледовитого океана. Иногда для автономных объектов может возникнуть парадоксальная ситуация: они могут оказаться вблизи трассы мощных линий электропередачи (ЛЭП), но это обстоятельство, не облегчая проблему с точки зрения снабжения электроэнергией, сильно усложняет ее с точки зрения необходимости подавления мощных электрических помех. Особую категорию автономных объектов составляют космические аппараты. К автономным (или, как минимум, к «полуавтономным») с энергетической точки зрения объектам могут быть отнесены пограничные заставы (особенно в горной местности), геологические партии и т.п. Если же смотреть на проблему шире,- то необходимо отметить, что 70% населения Земли полностью или частично лишены возможности пользоваться электроэнергией из-за отсутствия электрических сетей; только в России около 50% территории не имеет таких сетей.

Наиболее приемлемым видом энергии для большинства автономных объектов является энергия Солнца, и в представляемой диссертации будут рассматриваться узлы и устройства автоматизированных систем автономного энергообеспечения, базирующихся именно на солнечной энергии. Солнечная энергетика на настоящий момент является почти единственной, запасы которой совершенно неисчерпаемы (количество энергии, получаемой Землей от Солнца за один час, равно общему количеству энергии, потребляемой людьми в год) и которая одновременно с этим практически не имеет экономических ограничений.

Вполне закономерно, что разработки в области солнечной энергетики и попытки ее практического использования, особенно в США и Западной Европе, ведутся чрезвычайно интенсивно и во всем диапазоне возможных применений - от микроэлектростанций на несколько десятков ватт для различных автономных пользователей до солнечных электростанций промышленного назначения (до десятков киловатт),включая также такие применения, как космические аппараты и гелиоавтомобили.

В большинстве промышленно развитых стран разработаны и осуществляются национальные программы по развитию солнечных энергетических систем: New Sunshine Program [3] в Японии, Korean National Photovoltaic Project [4]в Корее, несколько программ, включая National Photo voltaicsProgram [5,6],в США. Общая мощность этих систем в 1999 г. составила более 150 МВт, и прогнозируется их ускоренное развитие [7].

Недостатком солнечной энергетики является сравнительно невысокая эффективность ее преобразования в электрическую, поскольку используются неэффективные, громоздкие и дорогие солнечные панели (СП). Хотя человечество не теряет надежды на изобретение в будущем других форм преобразования, пока к.п.д. солнечных панелей реально не превышает 13. 15%. При этом необходимо отметить, что СП сами по себе, без использования дополнительных элементов и устройств, в большинстве случаев не могут обеспечить поставку электроэнергии потребителю. Для выполнения этой задачи необходимо наличие контроллера, аккумулятора энергии, выходного адаптера (выходных адаптеров) и других узлов и устройств, которые в совокупности с СП и составляют систему энергообеспечения (СЭО).

В последнее время СЭО, базирующиеся на солнечной энергии, принято называть электростанциями солнечными (ЭС), и в представляемой диссертации используется именно этот термин. Роль солнечных панелей в ЭС аналогична роли генератора, например, в гидроэлектростанции, а остальные узлы и устройства электростанции солнечной (контроллер, адаптеры и т.д.) составляют автоматизированную систему управления энергообеспечением (АСУ ЭО).

Тематику настоящей диссертации составляют исследования и разработки в области АСУ ЭО автономных объектов. В этой тематике наиболее актуальными являются два основных направления:

1) Максимальное повышение эффективности АСУ ЭО. Учитывая указанный выше крайне низкий 15-процентный к.п.д. солнечных панелей, каждый лишний процент, теряемый на узлах и устройствах системы управления, может существенно снизить технические характеристики солнечной электростанции в целом. Опасность дополнительного снижения эффективности особенно велика применительно к ЭС малой мощности (до 100 Вт),

2) Обеспечение помехозащищенности и других важнейших показателей надежности АСУ ЭО, равно как и всей электрической и радиоэлектронной аппаратуры автономных объектов в целом. Это наиболее актуально для такой аппаратуры автономных объектов, ремонт и восстановление которой часто практически невозможны без ее эвакуации с объекта. При этом «приемной антенной» для аварийно-опасных помех, как правило, являются токопроводы АСУ ЭО. Источниками аварийно-опасных помех могут являться грозовые разряды, электромагнитное излучение северных сияний, близкорасположенные мощные линии электропередачи, радиопередающие и ретрансляционные станции, электрооборудование транспортных средств и т.д.

Целью представляемой диссертационной работы является совершенствование электронных автоматических систем управления солнечными электростанциями малой мощности, предназначенными для автономных (в том числе необслуживаемых) объектов. Это совершенствование направлено на повышение эффективности автоматизированных систем управления энергообеспечением, а также на повышение помехозащищенности электрической и радиоэлектронной аппаратуры объекта в целом.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решаются следующие задачи:

- исследование существующих и возможных электронных узлов, устройств и систем управления энергообеспечением на основе солнечных панелей или батарей солнечных панелей;

- анализ структурных и электрических схем систем управления энергообеспечением автономных объектов, а также узлов и устройств, входящих в состав этих систем;

- выбор элементов и разработка структурных и схемотехнических решений, обеспечивающих максимально достижимую эффективность АСУ ЭО автономных объектов;

- вывод и анализ расчетных соотношений для выбора элементов и схемотехнических решений АСУ ЭО, позволяющих снизить до допустимых значений импульсные помехи, наводимые в токопроводах;

- исследование полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН) и разработка устройств на их основе;

- анализ экономических вопросов производства и применения солнечных электростанций.

Методы исследования. В основе исследований, выполненных в диссертационной работе, лежат аналитические методы расчетов электрических и магнитных цепей, включая операторный метод -преобразование Лапласа, использование основ теории полупроводниковых приборов, компьютерные расчеты. Достоверность полученных аналитических зависимостей и результатов компьютерных расчетов проверена экспериментальными исследованиями, выполненными на макетных и опытных образцах устройств АСУ ЭО.

Научная новизна настоящей диссертационной работы представлена:

- анализом и новыми техническими решениями структурных схем систем энергообеспечения, использующихся в качестве источников энергии солнечные панели;

- новыми техническими решениями электрических схем управления системами энергообеспечения на основе СП;

- схемой замещения СЭО на основе СП с учетом ЬС фильтра, ограничивающего несимметричные помехи; выведенными математическими соотношениями основных параметров схемы замещения, анализом этих соотношений;

- схемотехническими решениями устройств подавления импульсных сетевых помех, оригинальность которых защищена Свидетельствами РФ на полезные модели.

Практическая ценность диссертационной работы заключается:

- в систематизации узлов, устройств и систем автоматизированного управления энергообеспечением автономных объектов, базирующихся на использовании солнечной энергии;

- в выборе компонентной базы и разработке структурных и электрических решений, обеспечивающих максимальную эффективность АСУ ЭО, базирующихся на СП;

- в разработке рекомендаций по снижению импульсных помех в АСУ ЭО; .

- в разработке устройств подавления импульсных помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН).

Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы получены в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), ОАО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов имени М.А.Карцева» (НИИВК) и ОАО «Вычислительная техника и промышленная электроника» (ВТ и ПЭ) в ходе выполнения ОКР «Разработка устройств подавления сетевых помех и устройств защиты от перенапряжений, КЗ и пропаданий напряжения» (шифр «Защитник»), «Разработка, изготовление и поставка устройств электропитания цифрового вычислительного комплекса для изделия Л-01» (шифр «Л-01-ЦВК») и «Разработка поупроводникового преобразователя постоянного напряжения» (Шифр «Свет-ПППН») в рамках «Комплексной программы по созданию электросолнечных агрегатов электропитания, устройств и систем солнечной энергетики», утвержденной Госкомоборонпромом России 30.09.1994 г. и Федеральной целевой программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности (1996-2000 г.г.)».

Разработаны и внедрены в серийное производство на заводе «Красное Знамя» (г. Рязань) электронные устройства, входящие в автоматизированную систему управления ЭС с выходной мощностью от единиц до десятков ватт, а также устройства широкого назначения для подавления сетевых помех. Разработана и апробирована компьютерная методика оценки и повышения помехозащищенности аппаратуры автономных объектов при питании от солнечных источников электроэнергии.

Практическая реализация результатов работы подтверждена прилагаемыми к диссертации актами внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. По результатам анализа структурных схем электронных систем управления энергообеспечением автономных объектов сформулированы рекомендации к применению базовых структур.

2. Схемотехника специального преобразователя постоянного напряжения и мостового инвертора с выходным синусоидальным напряжением 220В - 50Гц позволяет исключить громоздкий низкочастотный выходной трансформатор.

3. Контроллеры и зарядные устройства наиболее перспективны при использовании специально разработанных схем; при этом исключается необходимость выравнивания напряжений на отдельных элементах аккумуляторных батарей.

4. Анализ несимметричных импульсных помех, воздействующих на аппаратуру автономного объекта, а также полученные аналитические выражения позволяют ограничивать помехи в пределах допустимых значений за счет выбора параметров режекторного дросселя и других компонентов схемы замещения.

5. Предложенные в работе устройства подавления импульсных помех, построенные на базе полупроводниковых ограничителей напряжения, рекомендуются к повсеместному применению в сетях постоянного и переменного тока.

6. Анализ экономических аспектов конструирования и внедрения в промышленность солнечных электростанций типа ЭС-2 для автономных объектов позволяет сделать вывод об экономической целесообразности разработки и производства электростанций рассматриваемого класса.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:

- на Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-98», Москва, февраль 1998 г.;

- на Второй Международной конференции «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства», г. Минск (Беларусь), ноябрь 1998 г.;

- на Международной конференции стран СНГ «Молодые ученые -науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения», Москва, ноябрь 1999 г.;

- на научно-технической конференции «Энергосбережение на рубеже веков», Москва, декабрь 1999 г.;

- на Второй Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-2000», Москва, март 2000 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 печатных работ. Результаты диссертации защищены двумя Свидетельствами РФ на полезную модель (получены положительные решения о выдаче Свидетельств).

Выводы по главе 4.

1. Рассмотрены технические аспекты проекта организации производства солнечных электростанций малой и средней мощности; в разработке бизнес-плана этого проекта участвовал автор диссертации. Оценены возможности формирования научно-производственной кооперации по реализации проекта.

2. Определена близкая к оптимальной номенклатура и конфигурация солнечных электростанций малой и средней мощности, а также составляющих их узлов и устройств.

3. Наиболее «продвинутыми» с точки зрения промышленного выпуска являются модели электростанций ЭС-2 и ЭС-2А.

4. Показана экономическая целесообразность разработки и производства солнечных электростанций рассматриваемого класса.

Заключение

В ходе исследований, расчетов и макетирования по теме диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Выполнен обзор принципов построения энергообеспечения автономных объектов при использовании в качестве первичных источников электропитания панелей и анализ проблем солнечных электростанций малой мощности.

2. Проведен анализ электронных систем и устройств управления энергообеспечением автономных объектов, по результатам которого рекомендовано к применению несколько базовых структурных схем.

3. Проанализированы электрические схемы высокочастотных инверторов, что позволило разработать инвертор с выходным синусоидальным напряжением 220 В - 50 Гц при использовании для питания инвертора формирователя однополярных полусинусоид.

4. Рассмотрены схемы контроллеров и зарядных устройств. Предложены способы их объединения в целях включения нескольких солнечных панелей и аккумуляторных батарей без применения симметрирующих устройств для аккумуляторных батарей. Разработано специальное устройство - регулятор заряда и защиты. '

5. Приведены результаты разработки и освоения в мелкосерийном производстве солнечных электростанций типа ЭС-2.

6. Выполнен анализ импульсных помех естественного и искусственного происхождения, воздействующих на аппаратуру автономного объекта при питании потребителей электроэнергии от солнечных панелей.

7. Получены соотношения для выбора параметров основных элементов схемы замещения системы управления энергообеспечением автономного объекта с питанием от солнечной батареи. Указанные соотношения подтверждены компьютерными расчетами переходных процессов.

8. Разработаны новые устройства подавления сетевых помех на основе полупроводниковых ограничителей напряжения, защищенные положительными решениями о выдаче Свидетельств РФ на полезные модели.

9. Показана экономическая целесообразность разработки и производства солнечных электростанций рассматриваемого класса.

1. Колосов В. А. Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры. М., Радио и связь, 1992.

2. Кадель В.И. Силовые электронные системы автономных объектов. М., Радио и связь, 1990.

3. Adachi / Transactions of the PVSEC-9. Miyazaki, Japan, 1996.

4. Song / Transactions of the PVSEC-9. Miyazaki, Japan, 1996.

5. Rannels. Implementation and Financing for President Clinton's Million Solar Roofs Initiative / Papers the 2nd WCEPSEC. Vienna, Austria, 1998.

6. Rannels / Transactions of the PVSEC-9. Miyazaki, Japan, 1996.

7. Maycock. International Photovoltaic Markets, Developments and Trends Forecast to 2010/Papers of the 1st WCPEC. Hawaii, 1994.

8. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. M., Энергия, 1979.

9. Первая межотраслевая научно-практическая конференция по солнечной энергетике. Решение. С.-Пб., 1995.

10. Карабанов С.Н. Солнечная энергетика. Современное состояние и перспективы развития // Живая электроника России, 1999, спецвыпуск, с. 78-81.

11. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Фонд «Энергосбережение», М., 1996.

12. Shmid S. / Papers of the 2nd WCEPSEC. Vienna, Austria, 1998.

13. Тепловые установки для использования солнечной радиации. Сб. статей. М., Наука, 1976.

14. Ласло Т. Оптические высокотемпературные печи. М., Мир, 1978.

15. Савельев И.В. Курс физики, том 1. М., Наука, 1989.

16. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М., Наука, 1971.

17. Романов B.C. Перспективы получения кремния «солнечного» качества методом прямого карботермического восстановления / Первая межотраслевая научно-техническая конференция по солнечной энергетике. Тезисы докладов. С.-Пб., 1995, с. 16-18.

18. Sawada et al. High-Efficiency Heterojunction Solar Cell / Papers of the 1st WCPEC. Hawaii, 1994.

19. Никитин Б.И. Энергетика гидростанций. M., Энергия, 1978.

20. Саввин Ю.М. Гидроаккумулирующие электростанции. М.-Л., Энергия, 1976.

21. Golding E.W. The Generation of Electricity by Wind Power. Oxford, Oxford University Press, 1965.

22. Tidal Power. Ed. Gray T.J., Gashus O.K. N.Y.-L., 1972.

23. Сидоров H.H. Биннатов М.Ф, Васильев Е.А. Устройства электропитания бытовой РЭА. М., Радио и связь, 1991.

24. Номенклатурный перечень изделий, выпускаемых АО «Курский завод «Аккумулятор», ОКПО-05743834. Курск, 1994.

25. Каталог «Стационарные аккумуляторы»: dryfit 500, Sonnenschein GmbH. Изд. Акку-Фертриб, М., 1998.

26. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. Научно-издательский центр «Наука и техника», серия «Информационное издание», вып. 2, 1997.

27. Шерстюк В.А. Транзисторы для изделий силовой электроники. / Всероссийская научно-техническая конференция «Устройства и системы энергетической электроники» УСЭЭ-98. Тезисы докладов. М., 1998, с. 65-68.

28. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М. ДОДЭКА, 1997.

29. Источники вторичного электропитания: Уч. пособие / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович и др. Под ред. Ю.И. Конева, М., Радио и связь, 1983.

30. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Г.И. Хусаинов и др. Под ред. Г.С. Найвельта, М., Радио и связь, 1985.

31. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., Энергоатомиздат, 1986.

32. Букреев С.С. Силовые электронные устройства. Введение в автоматизированное проектирование. М., Радио и связь, 1982.

33. Мкртчян Ж.А. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. М., Радио и связь, 1990.

34. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи в устройствах питания РЭА. М., Энергия, 1975.

35. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. М., Радио и связь, 1989.

36. Северне Р., Блюм Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. / Пер. с анг. Под ред. JI.E. Смольникова. М., Энергоатомиздат, 1988.

37. Захаров Ю.К. Сравнительный анализ двухтактного и однотактного стабилизированных преобразователей постоянного напряжения. // Электронная техника в автоматике / Под ред. Ю.И. Конева, М., Сов. Радио, 1980, с.24-30.

38. Микроэлектронные электросистемы / Ю.И. Конев, г.Н. Гулякович, К.П. Полянин и др. Под ред. Ю.И. Конева, М., Радио и связь, 1987.

39. Иванов B.C., Панфилов Д.И. Компоненты силовой электроники фирмы Motorola. М., МИЭТ, 1997.

40. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. М., Транспорт, 1998.

41. Лейпунский М.М. Особенности современного применения солнечных источников энергии. Депонированная рукопись ДО 8806, 01.11.1999. Сборник рефератов НИОКР, серия AT, ГУП «ВИМИ», М., 2000, № 1.

42. Аврутин А.И., Борунов Н.П., Колосов В.А., Кузнецов В.А., Кумахов Б.Х., Лейпунский М.М. Устройство подавления сетевых помех. МПК Н02Н, 9/02. Свидетельство РФ на полезную модель, заявка № 99120491 /20 01.11.1999, положительное решение 27.01.2000.

43. Колосов В.А., Лейпунский М.М. Элементы организационно-финансового механизма реализации солнечных электростанций малой мощности. Научно-техническая конференция «Энергосбережение на рубеже веков». Тезисы докладов, М., 1999, с. 41.

44. Аврутин А.И., Колосов В.А., Лейпунский М.М. Построение устройств подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения // Радиопромышленность, 2000, № 1, с. 42-46.

45. Лейпунский М.М. Защита радиоэлектронной аппаратуры автономных объектов от импульсных помех при питании от солнечных источников электроэнергии // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, 2000, вып. 1, с. 86-94.

46. Лейпунский М.М. Солнечная электростанция типа ЭС-2. Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Устройства и системы энергетической электроники» УСЭЭ-2000. Тезисы докладов, М., 2000, с. 96-97.