Статья: Мобильный фотоэлектрический источник питания для применения в условиях низких температур

Мобильный фотоэлектрический источник питания для применения в условиях низких температур

А.Б. Тарасенко

Объединенный институт высоких температур РАН (Москва, Российская Федерация)

Я.А. Меньшиков

ОО «Яростанмаш» (Москва, Российская Федерация)

М.Ж. Сулейманов

Объединенный институт высоких температур РАН (Москва, Российская Федерация)

С.В. Киселева

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (Москва, Российская Федерация)

Рассматривается задача создания мобильных систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии для автономного потребителя, в том числе в Арктической зоне Российской Федерации (оленеводческие хозяйства, геологические партии, туристические группы и др.). Описаны алгоритм и характеристики разработанного авторами фотоэлектрического источника питания, адаптированного к эксплуатации в условиях низких температур и содержащего высокоэффективные гетероструктурные кремниевые фотоэлектрические преобразователи, литий-ионные аккумуляторы с подогревателем и программируемый контроллер заряда с функцией экстремального регулирования мощности.

Ключевые слова: портативный источник питания, фотоэлектрический преобразователь, литий-ионный аккумулятор, контроллер заряда, экстремальное регулирование, климатические испытания.

Abstract

мобильный фотоэлектрический источник питания автономный

PORTABLE PHOTOVOLTAIC POWER SUPPLY FOR

LOW TEMPERATURE APPLICATIONS

Tarasenko A. B.

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russian Federation)

MenshikovYa.А.

LLC YAROSTANMASH (Moscow, RussianFederation)

Suleymanov M. Zh.

JointInstituteforHighTemperaturesoftheRussianAcademyofSciences (Moscow, RussianFederation)

Kiseleva S. V.

LomonosovMoscowStateUniversity (Moscow, RussianFederation)

The paper escribe sautono mouspower supply for small and mobileconsumerssuchasreindeerfarmers, tourists, geologicalgroups, emergencyteamsandothers, operatingfor a long timeo utside the centralized power supply network sand in toughenvironment conditions. The authors consider the development and operationis suesofportablepowersuppliesbasedonrenewableenergypowersourcesinextremeclimaticconditions. The authors present the developed autonomous portable photovoltaic power supply, its operational go rithm and technical parameters. The power supply contains high-performance silicon photoelectric modules based on heterojunctions, a high-capacitylithium-ion battery with a built-inheater, and a charge controller with the function of extreme powercontrol and balancing of the batterycells.

The controller's operating algorithm ensures that the battery is heated before charging at a temperature belowzero to prevent the formation of dendrites on the anodeelectrodesoflithium-ioncells.

To provide power source operation in Arcticcon ditions several Li-ion batteries were teste dusing climate chamber and including charge-dischargecy cling at temperatures from the roomone down to minus 40°C. Based on the obtained experimental data the energy balance for different Russian regions was calculated and optimaltype of batteries as part of a portable power supply was selected.

Usingthe NASA POWER climatedatabaseondailyamountsoftotalsolarradiationandaverageairtemperature (2017-2018), theauthorscreatedlocalhourlydataarrayswith a timestepof 1 hour. Basedonthesedata, theauthorscalculatedtheenergybalanceof a portablepowersupplyforvariousplacesofitspotentialuse, suchasYakutia, Arkhangelsk, Blagoveshchensk, Nakhodka, Elistaandsomeothers. UsingthebalancecalculationstheauthorsdeterminedtheinfluenceofphotovoltaicbatterypowerandthecapacityoftheinstalledLi-ionbatteriesontheautonomouslifeoftheportablepowersupplyattheratedpoweroftheconsumer. The energy spent by battery heater proved to have nosignificantin fluence on the energy balance. The power of the photovoltaic battery, which is maximum in the warm season, exerts the most influence on the operation of the power supply and the degree of load coverage.

High-capacityLi-ionbatteriesaresupposedtobeoptimalforportableapplication, despite a sharp decrease in energy consumption at battery temperatures below zero, due to their much lower mass than lithium-nanotitan ate-based batteriesthataremoreresistanttofreezing. The yprovidebatterylifeclosetothoseforlithiumnanotitanatebatteries (inthecaseofusingsolarradiationforheating) with a significantlylowertotalmassofthepowersource.

Keywords: portablepowersupply, photoelectricconverter, lithium-ionbattery, chargecontroller, extremeregulation, climatetests.

Введение

Разработка портативных источников питания, использующих энергию возобновляемых источников, ведется достаточно давно. Основная мотивация -- сделать электропитание растущего спектра электронных устройств доступным в отрыве от централизованной сети с минимальной экологической нагрузкой, поскольку часто подобные устройства должны использоваться в рекреационных зонах или регионах с особым режимом природопользования. Значительную актуальность использование экологичных и эффективных источников электропитания приобретает в условиях хрупкой природы Арктической зоны России. Существенной нишей использования таких устройств являются потребители мощностью до 1 --2 кВт, где бензогенераторы используются редко из-за ограничений по КПД и сроку службы вследствие работы на неполной нагрузке [1]. Использование возобновляемых источников энергии или водородных технологий позволяет существенно расширить длительность работы источника питания в отсутствие централизованной сети или ископаемого топлива.

Возможность создания автономной мобильной системы электроснабжения, использующей солнечную энергию, для кочевых оленеводческих хозяйств Крайнего Севера рассмотрена в [2]. Эффективность работы автономных систем электроснабжения рассмотрена для 16 вариантов режима электропотребления в двух географических точках -- в Южной Якутии и норвежской провинции Финнмарк. Выполненные с использованием программного обеспечения HOMER [3] расчеты показали, что практически для всех сценариев солнечная энергоустановка оказывается выгоднее привозного органического топлива, однако в этом случае необходим массовый переход на светодиодные лампы на стойбищах и для регионов с низким уровнем инсоляции для ограничения потребления электроэнергии. При этом возможно достижение массогабаритных параметров системы (в зависимости от численности оленеводов на стойбище) от 5,8 до 11 кг/чел. с возможностью транспортировки ее на оленьей упряжке.

Мобильный дом на базе автомобильного прицепа рассмотрен в [4]. Состав автономной системы энергоснабжения рассчитан на основе актуальных климатических данных по солнечной радиации и доступности ветра с привязкой к месту использования. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея служит для согласования графиков потребления и производства энергии, электрохимический генератор на топливных элементах входит в состав системы на правах источника бесперебойного питания. Водород для топливных элементов поступает из баллонов, перезарядка которых электролизером не предусмотрена.

Вопросы энергоснабжения средних и малых туристических лагерей (до 100 мест) с использованием возобновляемых источников энергии рассмотрены в [5] для трех подобных объектов на территории Австралии. Использованы реальные графики нагрузки, моделирование работы установок различного состава проведено с использованием программного обеспечения HOMER [3]. Наилучшую гарантированность энергоснабжения согласно [5] обеспечивает комбинация ветроустановок с дизель-генераторами (по сравнению с солнечными установками). Использование системы, не потребляющей ископаемое топливо, для рассмотренных условий не является целесообразным как по экономическим соображениям, так и в аспекте гарантированности энергоснабжения.

Автономное энергоснабжение малых мобильных групп чрезвычайно актуально и для арктических регионов России. При этом часто важны как надежность энергоснабжения, так и массогабаритные характеристики. В таком случае использование дизель-генераторов, несмотря на их надежность и независимость от погодных условий, может быть неадекватно требованиям потребителей. В результате ставится задача разработки источников питания, способных устойчиво выдерживать заявленные технические характеристики и легко перемещаемых даже при отсутствии транспортных средств, а также максимально эффективно использующих местные возобновляемые энергоресурсы.

Одно из требований к таким источникам автономного энергоснабжения, работающим в северных условиях и содержащим накопитель электрической энергии, -- стабильная работа при отрицательных температурах. Наиболее надежным вторичным источником энергии с точки зрения диапазона рабочих температур являются двойнослойные электрохимические суперконденсаторы [6], однако их удельная энергоемкость крайне мала относительно требуемых величин. Литий-ионные аккумуляторы удовлетворяют требованиям высокой энергоемкости, соответствующим портативным применениям, однако их энергоотдача существенно падает при отрицательных температурах [7]. Кроме того, наиболее энергоемкие из них нельзя заряжать в этих условиях во избежание дендритообразования [8]. Наиболее устойчивыми являются аккумуляторы с литированным наноструктурированным титанатом в виде материала отрицательного электрода, однако их удельные характеристики оставляют желать много лучшего, что немаловажно для портативных применений, а при отрицательных температурах их энергоотдача также падает, хоть и в меньшей степени, чем у других систем аккумулирования [9]. Указанные проблемы и недостатки мобильных портативных источников питания были в значительной степени преодолены в предложенной авторами схеме. Представленная работа описывает экспериментальный образец портативного фотоэлектрического источника питания, результаты оценки его работоспособности в различных климатических условиях разных регионов России, в том числе в Арктической зоне.

Материалы и методы

Обоснование состава портативного источника питания. Компактный носимый источник электропитания, работоспособный в климатических условиях всей территории Российской Федерации, должен работать в широком диапазоне температур, обладая при этом высоким массогабаритным совершенством. Солнечная энергия была выбрана в качестве первичного источника, так как доступна повсеместно в отличие от весьма непостоянной (особенно на малой высоте) энергии ветра. В качестве накопителя электрической энергии выбраны литий-ионные аккумуляторы с углеродным анодом как наиболее энергоемкая электрохимическая система, способная обеспечить высокие массогабаритные характеристики. Солнечная батарея выполнена в виде двух соединяемых параллельно складных фотоэлектрических модулей пиковой мощностью 111 Вт и рабочим напряжением 34 В каждый на основе гетероструктурных кремниевых фотоэлектрических преобразователей производства ГК «Хевел» с паспортным КПД 19--20% [10]. Благоприятный тепловой режим аккумуляторнойбатареи на основе смешанных литированных оксидов и углерода (LiC₆||LiNMC) обеспечивается путем прогрева ее перед зарядом.

Рис. 1. Блок-схема портативного фотоэлектрического источника питания: 1 - складная солнечная батарея, 2 - контроллер заряда, 3 - нагреватель аккумуляторной батареи, 4 - информационный вход интерфейса RS485, 5 - литий- ионные аккумуляторы, 6 - нагрузочный выход на 14 В, 7 - понижающий преобразователь постоянного тока 12/5 В Fig. 1. Flowchartof a portablephotovoltaicpowersupply. 1 - a foldingsolarbattery, 2 - a chargecontroller, 3 - a batteryheater, 4 - aninformationinputofthe RS485 interface, 5 - lithium-ionbatteries, 6 - a loadoutputof 14 V, 7 - a step-down DC/12/5 V converter

Для этого контроллер заряда, являющийся ядром портативного источника и сосредотачивающий в себе функции системы управления и согласующего преобразователя напряжений солнечной и аккумуляторной батарей, имеет возможность питать собственные нужды как от аккумуляторной батареи, так и (в случае ее глубокого разряда или охлаждения ниже заданной температуры) от солнечной батареи. Это существенно увеличивает надежность системы преобразования и управления источника по сравнению с аналогичными коммерческими изделиями, имеющими питание для собственных нужд только от аккумуляторной батареи [11]. Другими функциями, реализованными в контроллере, являются алгоритм экстремального регулирования мощности солнечной батареи, позволяющий увеличить выработку энергии на 15--20% [12], и функция отключения нагрузки при разряде ниже заданной уставки любого из параллельно соединенных элементов аккумуляторной батареи аналогично [13]. Так же, как и в [13], система балансировки напряжений на элементах аккумуляторной батареи интегрирована в контроллер. Блок-схема источника представлена на рис. 1.

Рис. 2. Внешний вид источника питания на лабораторных испытаниях Fig. 2. External view of the power supplyinlaboratorytests

Аккумуляторная батарея с контроллером размещена в теплоизолированном корпусе источника. Рассев избыточного тепла при работе контроллера осуществляется по площади крышки источника за счет формирования слоя теплопроводной пасты между контроллером и верхней частью корпуса.

Экспериментальный образец также имеет возможность коммутации внешнего персонального компьютера для программирования контроллера заряда с заданием необходимых уставок по предельным температурам и напряжениям аккумуляторной батареи и мониторинга работы устройства. Предполагается, что на серийных образцах данный вход будет использоваться только на предприятии- изготовителе после монтажа контроллера и его присоединения к аккумуляторной батарее. Внешний вид источника представлен на рис. 2.

Экспериментальные работы по определению работоспособности компонентов источника в условиях пониженных температур

Как показано выше, аккумуляторная батарея -- самое слабое место портативных источников электропитания в условиях пониженных температур. Она же во многом определяет работоспособность источников, зависящую от возможности батареи принять или отдать заряд. Для оценки работоспособности источника при пониженных температурах был выполнен ряд экспериментов в модельных условиях.

Прежде всего для оценок затрат энергии источником питания на нагрев аккумуляторов была определена фактическая теплоемкость аккумуляторной батареи (системы LiC6||LiFePO4 в типоразмере 18650), включающей в себя весьма разнородные материалы (алюминиевый корпус, алюминиевую и медную фольгу электродов, углерод-полимерные и оксид-полимерные элек-троды, полимерные сепараторы с жидким электролитом). Полученная экспериментально теплоемкость аккумуляторов А123 типоразмера 18650 составила 1409 Дж/(кг-К).

Таблица 1. Параметры испытываемых аккумуляторов