Исследование и разработка электронных устройств и систем управления энергообеспечением автономных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Лейпунский, Михаил Михайлович

• Лейпунский, Михаил Михайлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лейпунский, Михаил Михайлович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка электронных устройств и систем управления энергообеспечением автономных объектов»

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).

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Лейпунский, Михаил Михайлович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лейпунский, Михаил Михайлович, 2000 год

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.