Вдосконалення систем енергозабезпечення автономних об'єктів-споживачів за рахунок використання Smart технологій

Співак, Владислав Ігорович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7925

Full metadata record

DC Field	Value	Language
dc.contributor.advisor	Беспалько, Сергій Анатолійович	-
dc.contributor.author	Співак, Владислав Ігорович	-
dc.date.accessioned	2026-03-12T06:48:09Z	-
dc.date.available	2026-03-12T06:48:09Z	-
dc.date.issued	2024-01-30	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7925	-
dc.description.abstract	В першому розділі виконано аналіз сучасного стану Smart технологій та перспективи їх застосування в автономному об'єкті. В другому розділі виконано моделювання систем автоматизації енергозабезпечення автономного об'єкта. В третьому розділі розроблено Smart-центр керування автоматизованими системами енергозабезпечення автономного об'єкта: алгоритмічне забезпечення та програмна реалізація. В четвертому розділі наведено практичне застосування розробок, рекомендацій та пропозиції по впровадженню. В п’ятому розділі наведено основні вимоги до сонячної енергосистеми: експлуатації; технічного обслуговування й ремонту; електробезпеки; зовнішніх факторів.	uk_UA
dc.language.iso	uk	uk_UA
dc.subject	енергозабезпечення	uk_UA
dc.subject	smart технології	uk_UA
dc.title	Вдосконалення систем енергозабезпечення автономних об'єктів-споживачів за рахунок використання Smart технологій	uk_UA
dc.type	Master Thesis	uk_UA
Appears in Collections:	144 Теплоенергетика (Теплоенергетика)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Співак.pdf Restricted Access		4.87 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show simple item record

Extracted text

2
Анотація

На магістерську кваліфікаційну роботу на тему: «Вдосконалення систем
енергозабезпечення автономних об'єктів-споживачів за рахунок використання
Smart технологій».
Виконавець: ст. гр. мТЕ-88 Співак Владислав Ігорович.
Керівник: к.т.н., доцент Беспалько С.А.
Захищено: "____"____________2023 р.
98 с.; 47 рис.; 4 табл.; 42 використаних джерел.
В першому розділі виконано аналіз сучасного стану Smart технологій та
перспективи їх застосування в автономному об'єкті.
В другому розділі виконано моделювання систем автоматизації
енергозабезпечення автономного об'єкта.
В третьому розділі розроблено Smart-центр керування автоматизованими
системами енергозабезпечення автономного об'єкта: алгоритмічне забезпечення
та програмна реалізація.
В четвертому розділі наведено практичне застосування розробок,
рекомендацій та пропозиції по впровадженню.
В п’ятому розділі наведено основні вимоги до сонячної енергосистеми:
експлуатації; технічного обслуговування й ремонту; електробезпеки; зовнішніх
факторів.

3
Зміст

ВСТУП .............................................................................................................................. 5
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН SMART ТЕХНОЛОГІЙ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ЇХ
ЗАСТОСУВАННЯ В АВТОНОМНОМУ ОБ'ЄКТІ ..................................................... 7
1.1. Smart технології як концепція інноваційного розвитку енергетики ................ 8
1.2 «Інтелектуальний» будинок: концепції та тенденції розвитку ....................... 14
Висновки до першого розділу ................................................................................... 16
РОЗДІЛ 2. МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦІЇ
ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОНОМНОГО ОБ'ЄКТА ......................................... 17
2.1 Теорія використання організації систем автономного об'єкта ........................ 18
2.2 Моделювання комплексу системи енергозабезпечення автономного об'єкта
декількома джерелами генерації енергії .................................................................. 26
2.3 Дослідження системи низьковольтного освітлення автономного об'єкта з
використанням сонячної панелі ................................................................................ 33
2.4 Оптимізація процесу автоматизованого контролю та керування
температурою в автономному об'єкті ...................................................................... 37
Висновки до другого розділу .................................................................................... 43
РОЗДІЛ 3. SMART ЦЕНТР КЕРУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНИМИ
СИСТЕМАМИ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОНОМНОГО ОБ'ЄКТА:
АЛГОРИТМІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТА ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ ................. 44
3.1 Низьковольтна система освітлення .................................................................... 45
3.2 Метод комплексного керування системи енергозабезпечення з
використанням Smart контролю керування ............................................................. 48
3.3 Розробка моделі оптимального керування нормативною температурою в
автономному об'єкті ................................................................................................... 57
Висновки до третього розділу .................................................................................. 62

МКР 23.144.44 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Співак Зміст Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько магістерської
кваліфікаційної роботи
Н. Контр. ЧДТУ, мТЕ-88
Затверд. Калейніков
4
РОЗДІЛ 4. ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ РОЗРОБОК, РЕКОМЕНДАЦІЙ ТА
ПРОПОЗИЦІЇ ПО ВПРОВАДЖЕННЮ ...................................................................... 64
4.1 Практичне застосування низьковольтної системи освітлення на автономному
об'єкті ........................................................................................................................... 65
4.2 Дослідження роботи системи енергозабезпечення від сонячної панелі в
пакеті Маtlаb ............................................................................................................... 68
4.3 Практична реалізація моделі кількісної оцінки помилки контролю
параметрами мікроклімату на автономному об'єкті ............................................... 73
Висновки до четвертого розділу ............................................................................... 82
РОЗДІЛ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НС .................................................. 83
5.1. Вимоги до експлуатації, зручності технічного обслуговування й ремонту . 84
5.2. Вимоги до електробезпеки ................................................................................. 85
5.3. Вимоги до зовнішніх факторів .......................................................................... 87
5.4. Вимоги безпеки ................................................................................................... 88
5.5. Заходи, спрямовані на захист від ураження електричним струмом .............. 89
5.6. Заходи, спрямовані ....... на захист від одержання механічних та інших травм,
можливих при експлуатації СЕС .............................................................................. 90
Висновок до п’ятого розділу ..................................................................................... 92
ВИСНОВОК ................................................................................................................... 93
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ ............................................................................. 94

5
ВСТУП

Перспективи стійкого розвитку економіки України, як і інших розвиваючих
країн так чи інакше пов'язані з впровадженням нової моделі основаної на
концепції Smart - основи науково-технічних та інноваційних перетворень.
Найбільш значимими факторами, що визначають пріоритетний розвиток Smart -
технологій є:
- тенденції повної автоматизації технологічних процесів та виробництва;
- величезні масштаби та перспективи розвитку комп'ютерних технологій;
- поява нових технологій, матеріалів, приладів, що забезпечують високий
рівень та комфортність життя («розумний будинок», «інтелектуальна» мережа та
ін.);
- необхідність дотримання екологічних норм, зниження впливу на
навколишнє середовище, в тому числі і в області регенерації енергії (ВДЕ, СЕС,
ВЕУ, і т.п.).
В рамках Паризької угоди, прийнятого в грудні 2015 року під час
Конференції ООН про зміну клімату, більше 60 країн по всьому світу погодилися
розробити національні програми по зниженню рівня викидів вуглекислого газу та
переходити на низьковуглецеві джерела електроенергії.
Однак на бурхливий розвиток чистої енергетики вплинув не тільки на
екологічні, але і економічні міркування. По даним останнього дослідження
компанії Lazard, енергія сонця та вітру в США тепер коштує менше, чим ядерна,
вугільна або газова, навіть без врахування державних субсидій. Це означає, що
провідним енергетичним компаніям більше не вигідно вкладатися в традиційну
енергетику.
На даний момент відбувається масштабне впровадження комплексів
сонячних батарей та колекторів у багатьох країнах Європи. Так, в Німеччині на
частку сонячної енергії доводитися приблизно 20 % від всієї енергії, що
виробляється за рахунок відновлюваних джерел енергії.
6
Розробка Smart технології контролю та керування системами
енергозабезпечення автономного об'єкта дозволяє реалізувати національні
програми, що вирішують питання Паризької угоди.
Актуальність так само підкреслюється розробкою в роботі безпечної
низьковольтної системи освітлення, інтегрованої з сонячними панелями
(батареями).
Мета роботи - вдосконалити Smart технологію контролю та керування
системами енергозабезпечення автономного об'єкта.
Об'єкт дослідження - система енергозабезпечення автономного об'єкта.
Предмет дослідження - автоматизація керування системою
енергозабезпечення автономного об'єкта з використанням ВДЕ та комп'ютерних
технологій.
Задачі дослідження:
1. Вивчити сучасний стан Smart і перспективи їх застосування в автономному
об'єкті;
2. Дослідити системи низьковольтного освітлення автономного об'єкта з
використанням сонячної панелі.
3. Змоделювати систему автоматизації енергозабезпечення автономного
об'єкта;
4. Розробити модель оптимального регулювання нормативної температури в
автономному об'єкті.

7

РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН SMART
ТЕХНОЛОГІЙ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ЇХ
ЗАСТОСУВАННЯ В АВТОНОМНОМУ
ОБ'ЄКТІ

МКР 23.144.44 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Співак РОЗДІЛ 1. Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько СУЧАСНИЙ СТАН SMART
ТЕХНОЛОГІЙ ТА ПЕРСПЕКТИВИ
Н. Контр. ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В
АВТОНОМНОМУ ОБ'ЄКТІ ЧДТУ, мТЕ-88
Затверд. Калейніков
8
1.1. Smart технології як концепція інноваційного розвитку енергетики

Розвиток і вдосконалення відновлюваних джерел енергії обумовлені
необхідністю формування нової енергетичної моделі, диверсифікованості
технологічної бази електрогенерації, заповнення енергодефіциту та вирішення
світових екологічних проблем [7, 8].
Світовий попит на відновлювані джерела енергії (ВДЕ) постійно зростає. В
усіх розвинених країнах розробляються та реалізуються програми, пов'язані з
альтернативною енергетикою. Основні переваги ВДЕ – невичерпність,
екологічність можуть послужили причиною бурхливого розвитку відновлюваної
енергетики і досить оптимістичних прогнозів щодо її перспектив у найближчі
десятиліття [9-15].
Головними причинами, що обумовили розвиток ВДЕ, виступають
забезпечення енергетичної та екологічної безпеки, збереження навколишнього
середовища, завоювання світових ринків відновлюваних джерел енергії,
збереження запасів власних енергоресурсів для майбутніх поколінь, а також
збільшення споживання сировини для неенергетичного використання палива.
Україна має значний потенціал сонячної енергії (рис. 1.1) [16]. Застосування
сонячних панелей - один із ефективних напрямків в розвитку сонячної
енергетики. При проведеному аналізі даних виявлено, що не залежно від
технічних і експлуатаційних характеристик, різних моделей сонячних панелей
при площі 0,2 м2 потужність модуля складає близько 10 Вт. Напруга при
максимальному навантаженні приблизно 24-25 В, струм короткого замикання
близько 500 мкА, вага цього модуля 2 кг, де ККД 60 % і термін служби пластини
25 років. Незалежно від порівняно низького ККД сонячної панелі, вона є
ефективним джерелом серед інших відновлюваних джерел енергії та автономних
джерел живлення [17]. Потужність сонячного випромінювання на вході в
атмосферу землі становить 1366 на м2.

9

Рис. 1.1. Потенціал сонячної енергії України.

Вітри на всій території України характеризуються високою турбулентністю
та частою зміною напрямків. Необхідно врахувати, що вітер характеризується
мінливістю величини швидкості та напрямку, тому виникаючі пульсації
потужності одиничної ВЕУ повинні згладжуватися великою кількістю агрегатів
або накопичувачами енергії. Для успішного розвитку вітроенергетики необхідні
вітроагрегати, що переробляють вітер необмеженої швидкості та турбулентності.
На думку експертів зараз доцільно розбудовувати компетенції в сфері смарт-
технологій, штучного інтелекту, інтеграції кіберфізичних систем, енергетики
майбутнього, проєктування та інжинірингу. Реалізується це через побудову
ефективної науково-інноваційної системи. В даній роботі розглядаються питання
застосування Smart технологій керування в системі енергозабезпечення
автономного об'єкта.
10
На даний момент Smart технології отримали широке поширення в області
телекомунікації, у системах керування та моніторингу. Абревіатура слова Smart
означає - конкретний, вимірний, досяжний, актуальний, визначений в часі.
Smart технології - комплексна комбінація технології контролю та керування,
яка забезпечує необхідною кількістю та якісною енергією автономний об'єкт.
На початку XXI століття в усьому світі почали використовувати вираз
«Інтелектуальний» будинок [18, 19], який означає автоматизоване керування
системою енергозабезпечення конкретного об'єкта. Система автоматизації
енергопостачання [20] автономного об'єкта має на увазі контроль та керування
підсистемами, застосовуючи програмне забезпечення та Smart технології.
В статті [21] автор представив нову концепцію формування системи
керування в розподіленій енергетиці на основі Smart технологій. Концепція
розподіленої енергетики базується на безлічі джерел енергії та розподільних
мереж, яка обумовлює наявність безлічі споживачів, що виробляють електричну
та теплову енергію для власних потреб, а надлишки спрямовують в загальну
мережу. Автор розробив алгоритм роботи процесу керування на основі Smart
інформації.
Автори статей [22-24] пропонують використовувати Smart технології в
будинках для забезпечення комфортного мікроклімату та енергозабезпечення
об'єкта без втрат виробленої енергії.
В статті [21] Smart технології використовуються для вуличного освітлення з
використанням сонячних панелей. В даній роботі функціональне значення має
контролер, який забезпечує оптимізацію керування енергетичної вуличної
системи освітлення. Дана система керування освітленням зорієнтована на напругу
230 В.
У статті [22-24] відображені питання традиційної енергетики. Автори
пропонують використовувати ВДЕ з елементами Smart системи. Вони
пропонують метод виявлення не ефективного використання енергії в будинках з
елементами Smart системи. Система інтелектуального аналізу розроблена за
допомогою даних, отриманих від датчиків.
11
У статті [25] автори описують систему керування енергетичною інтеграцією
споживачів електроенергії в Smart Meters (SM), що підключені до системи Scada
та контролює мережу програмних логічних контролерів (PLC). Система Scada та
PLC-мережа поєднує різні типи інформації, що надходить із декількох елементів
Smart технологій, присутніх в сучасних будинках. Для реалізації
використовуються програмні контролери. Так само був розроблений канал
зв'язку, який забезпечує обмін даними між системою Scada і програмним
забезпечення Matlab.
В більшості розглянутих статтях автори пропонують впровадження
інтелектуальних систем у систему енергозабезпечення автономного об'єкту.
Використовують різні програмні забезпечення, вирішують окремі завдання й
підзавдання. В системі освітлення використовують подвійне перетворення енергії,
що приводить до значних втрат енергії [26-34].
Існує безліч моделей побудови керування системами енергозабезпечення
інтелектуальних розумних об'єктів, які і є Smart технологіями керування та
контролю. В роботах [25-29] описані інтелектуальні системи керування в
енергетиці та створення бази даних для керування технологічними процесами.
Розроблені інтелектуальні системи діагностики силових трансформаторів [27]
застосовуються до підвищуючих від 12 до 220 В та понижаючих від 220 до 12 В
трансформаторів.
Ґрунтуючись на теорії, методах і засобах керування інтелектуальними
системами [25, 35] можлива побудова алгоритмів керування системами
енергозабезпечення «розумного» інтелектуального об'єкта та вирішення ряду
завдань енергоефективності об'єкта.
На сьогодні в Україні та в інших регіонах використовуються відновлювані
джерела енергії, але автоматизована система керування системою
енергозабезпечення розвинена недостатньо.
В інших країнах, таких як Німеччина, США, Китай і т.д., використання
відновлюваних джерел енергії [10] та керування енергоспоживанням [35-39]
розвинено на високому рівні, але отримання подібних результатів не можливо
12
впровадити в Україні через кліматичні умови та недостатність фінансування цієї
сфери. Так само керування системою енергозабезпечення розглянуто тільки для
«розумних та інтелектуальних» будинків.
Автоматизована система керування [31] містить у собі контроль автономного
об'єкта з використанням відновлюваних джерел енергії [32].
Для організації роботи відновлюваних джерел енергії [33] виникає
необхідність створення стійкої схеми роботи з електричними системами. При
вирішенні даного питання необхідно реалізувати управління контролером
системи енергозабезпечення автономного об'єкта з використанням Smart
технологій. За результатами проведених досліджень було розроблено загальну
структурну схему Smart системи, що схематично наведено на рис. 1.2.

Smart блок

Збір,
зберігання, Аналіз Прийняття
обробка даних розв'язку
даних

Рис. 1.2. Структура Smart блоку

Smart блок містить в собі - збір інформації, зберігання та обробку даних,
аналіз даних та прийняття рішення.
По проведеному дослідженню складена структурна схема Smart центру
керування енергозабезпеченням автономного об'єкта (рис. 1.3), де в кожного
джерела енергії є свої контролери. В залежності від потрібної кількості
електричної енергії визначається включення або відключення джерела енергії.
Акумуляторна батарея (АБ) заряджається від будь-якого джерела живлення.
Керування системою здійснюється дистанційно через ПК або смартфон. Місцеве
13
керування проводиться через сенсорну панель або через Smart центр керування.
Smart-центр керування системою енергозабезпечення автономного об'єкта
знаходиться в технічному приміщенні будинку.
По проведеному літературному огляду існуючих джерел встановлено, що на
даний момент керування та контроль електричною схемою системи
енергозабезпечення автономних об'єктів [34] розглянуті не повністю. Не
дороблений алгоритм роботи керування системою енергозабезпечення.
В статті [26] пропонують матричне перетворення струму сонячних батарей. В
статті наведено структуру СЕС на основі матричного перетворювача струму
сонячної батареї, наведено методику розрахунків енергобалансу в автономній
системі електропостачання. Джерелом енергозабезпечення є сонце та
акумуляторна батарея, що не зможе забезпечити повне енергопостачання
автономного об'єкта. В основному для програмування використовується
програмне забезпечення Маtlаb [27], яке дозволяє поєднувати методи
структурного та імітаційного моделювання.

Рис. 1.3. Структурна схема Smart центру керування енергозабезпеченням
автономного об'єкта: 1 - сонячна панель, 2 - вітрова установка, 3 - біогазова
установка, 4 - контролер сонячної батарей, 5 - контролер вітрової установки,
6 - контролер біогазової установки, 7 - автоматизована система керування,
8 - акумуляторна батарея, 9 - сенсорна панель керування, 10 - керування ПК,
11 - Smart центр керування, 12 - автономний об'єкт.
14
В результаті зробленого аналізу складена структурна схема керування
відновлюваним джерелом енергії, системою електропостачання (рис. 1.4). Дана
схема реалізує керування як роботи відновлюваного джерела енергії, так і системи
енергозабезпечення автономного об'єкта. В залежності від потрібної кількості
електричної енергії в певний момент часу система керування управляє
виробленням енергії установок, що працюють на ВДЕ.

Рис. 1.4. Структурна схема керування відновлюваним джерелом та системи
електропостачання: ВДЕ – відновлюване джерело енергії, АБ – акумуляторна
батарея, СК – система керування, СЕЗ – система енергозабезпечення, БЗІ – блок
збору інформації

1.2 «Інтелектуальний» будинок: концепції та тенденції розвитку

На даний момент існує безліч різновидів «розумного, інтелектуального»
будинку, об'єкта. «Розумний будинок» це комплекс технічних засобів та
програмного забезпечення для побудови систем автоматизації його підсистем.
Незважаючи на досить чіткий та загальноприйнятий розподіл технології
«Розумний будинок» [30-33] на підсистеми, немає ніякої необхідності при
проєктуванні використовувати їх всі. На рис. 1.5 наведено структурну схему
«Розумного будинку». Загальноприйняті підсистеми керування
«інтелектуального» будинку: освітленням; силовим та резервним живленням;
15
стабілізацією напруги; кондиціюванням; опаленням; теплими підлогами;
пожежною сигналізацією; контролем протікань води.
Вироблена від сонячної батареї 2 та вітрової установки 10 енергія надходить
у контролер 3, звідки одночасно енергія надходить в акумулятор 4 та в систему
керування «Розумний будинок» в підсистему керування освітленням 5,
підсистему безпеки 6, підсистему клімат контролю 7 та підсистему опалення 9.

Рис. 1.5. Загальний вигляд «Розумного будинку»: 1 – природнє освітлення,
2 – сонячна батарея, 3 – контролер, 4 – акумулятор, 5 – система керування
освітленням, 6 – система безпеки, 7 – система контролю клімату будинку,
8 – керування системою комп'ютером, 9 – система керування опаленням,
10 – вітрова установка.

Для системи енергозабезпечення автономного об'єкта обрані сонячна
батарея, вітрова установка, БГУ та ТНУ. Сонячна батарея [34-35]
використовується для низьковольтної світлодіодної системи освітлення та, після
перетворення напруги, для системи електропостачання. Вітрова установка і БГУ
[36-38] використовуються для забезпечення автономного об'єкта змінним струмом
з напругою 220 В. Опалення відбувається за рахунок ТНУ або БГУ.

16
Висновки до першого розділу

1. На основі аналізу сучасного стану генерації теплової та електричної
енергії ВДЕ можна зробити висновок, що для реалізації ефективного вироблення
електричної енергії в умовах України необхідно використовувати сонячну
енергію.
2. Використання Smart технологій дозволяє додатково здійснювати
економію на рівні 30-50 %.
3. Концепція керування інтелектуальним будинком може бути додатково
вдосконалена шляхом використання автоматизованих систем керування.
На основі проведеного аналізу можна виділити напрямки дослідження, що
дозволяють ефективно здійснювати енергозабезпечення автономного об'єкта:
- проведення теоретичних розрахунків ефективності ВДЕ;
- вивчення використання сонячних батарей для низьковольтної системи
живлення світлодіодного освітлення автономного об'єкту;
- розробка програмних засобів для контролю та керування «Розумним
будинком»;
- розробка Smart технологій для керування автономним об'єктом.

17

РОЗДІЛ 2. МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦІЇ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
АВТОНОМНОГО ОБ'ЄКТА

МКР 23.144.44 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Співак Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько РОЗДІЛ 2. МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦІЇ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
АВТОНОМНОГО ОБ'ЄКТА
Н. Контр. ЧДТУ, мТЕ-88
Затверд. Калейніков
18
В даному розділі розглянуті розрахунки сонячної панелі та вітрової
установки. Розрахунки зроблені на основі відновлюваних джерел енергії таких як
сонячна енергія.
На основі цих розрахунків побудовано модель системи енергозабезпечення
автономного об'єкта з декількома джерелами генерації енергії. Наведено
розрахунки низьковольтної світлодіодної системи освітлення на основі сонячних
панелей.

2.1 Організації системи автономного об'єкта

Для розробки математичної моделі зроблені розрахунки сонячної панелі та
вітрової установки і наведений розрахунок ККД низьковольтної системи
освітлення з використанням світлодіодів.

Сонячна установка
Потужність, вироблена СБ розраховується за формулою [34]:

PСБ = RΣ ⋅Sη ⋅N PСБ (2.1)

де RΣ – поточна сумарна потужність прямого та дифузійного випромінювання
на поверхню СБ, кВт/м2; η – ККД cонячної батареї; S – площа СБ, м2; N – кількість
СБ, штук.
Валовий потенціал сонячної енергії в заданій місцевості визначається за
формулою:

1 N Tгод
ЕΣ = ∑ ∫RΣ (t)⋅KC dt (2.2)
N k=1 0

де КС - коефіцієнт, що дозволяє врахувати кути нахилу площини.
19
Для тимчасового відрізка, рівного одному року, формула (2.2) приймає
вигляд:

N
EΣ =∑RΣ ⋅Kci ⋅∆ti (2.3)
i=1

де ∆ti – інтервал часу.
Для енергії сонячного випромінювання конкретної місцевості вводимо
коригувальний коефіцієнт, який визначається за формулою:

K Е
= СБ
З (2.4)
ЕМ

де ЕСБ і ЕМ – потенціал енергії сонячного випромінювання в місцях
розташування СБ та на метеостанції, кВт/м2.
Залежність між сонячною інсоляцією на метеостанції та території
розміщення сонячної батареї визначається за формулою:

RСБ _ i = KS _ i ⋅K З _ і ⋅RM _ i (2.5)

де i – порядковий номер місяця.
Далі необхідно визначити вироблену потужність сонячної панелі. Для цього
необхідно розрахувати струм пропорційної освітленості сонячної панелі. Джерело
струму генерує струм пропорційної освітленості сонячної панелі:

I (F ) = Imax ⋅F (2.6)
де I – генерований струм, А; F – освітленість в умовних одиницях відносно
максимальної освітленості [19] Fmax=1.
Струм діода описується класичною моделлю:
(    
I V ) I V
= S exp 
V ⋅N  −1 (2.7)
  T  

20
де N – коефіцієнт виродження, для ідеального діода N=1 [15]; V – напруга на
діоді, V k ⋅T
T = = 25mA; k - постійна Больцмана, Дж/К; qе - заряд електрона, Кл; Т -
qe
температура приміщення, 293К.
Параметри освітленості сонячної батареї визначаються за формулою [15]:

N w ⋅V
= (2.8)
VT

де wV – ширина діапазону напруг.

I = I  VoOC −VT 
S SC ⋅exp−  (2.9)
 wV 

де ISC – струм короткого замикання, А; VоОС – напруга холостого ходу, В.
При розрахунках будуть використовуватися паспортні значення сонячної
батареї та враховуватися вплив сонячного випромінювання і робочої температури
ВАХ сонячної батареї. Спростимо вираз [12] і запишемо у вигляді:

ℑSC = ℑoSC + ∆I1 + ∆IT (2.10)
VOC =VoOC + ∆VI1 + ∆VI 2 + ∆VT (2.11)
де ℑoSC - вихідна щільність струму короткого замикання, виміряна при
стандартних умовах освітлення ℑ0 =1000 Вт м2 та температурі сонячної батареї
Т0=(20+2)°С; ΔI1, ΔVI1, ΔVI2 - поправки, що враховують зміну щільності потоку
сонячного випромінювання; ΔIТ, ΔVТ - поправки на зміну температури СБ.
Поправки визначаються за формулами:

∆I I − I
1 =
0 ⋅ℑoSC (2.12)
I0
∆I I1 = −∆I1 ⋅RП (2.13)
21
 
∆V I
I 2 = k ⋅ lg  (2.9)
 I0 
∆IT = β1 ⋅ℑoSC (T −T0 ) (2.10)
∆VT = βV ⋅VOC (T −T0 ) (2.11)

де Rп – опір поверхні сонячної батареї, Ом·см2; k - коефіцієнт освітленості,
знаходиться в межах від 0≤k≤2 до 0,5≤k≤1,5 [19]; β1, βV - температурні коефіцієнти
напруги та струму, 1/°С.
На роботу СБ впливає температура навколишнього повітря та інтенсивність
сонячного випромінювання. Через збільшення температури зменшується вихідна
потужність. Тому, при моделюванні керування СБ виникає завдання по
визначенню значень інтенсивності сонячного випромінювання та температури
навколишнього середовища.
В роботі розглядається повна орієнтація СБ на сонце, з системою
спостереження за сонцем. Також, при необхідності, можливо фіксувати поверхню
СБ на потрібну сторону горизонту.
Сумарна інтенсивність СБ визначається за формулою [22, 23]:

I I сosξ I 1+ cosβ ρ(I І )1− cosβ
H = П + + + (2.12)
cosθ D 2 П D 2

де IП та ID - інтенсивність прямого і дифузійного розсіяного випромінювання
сонця на поверхню СБ, Вт/м2; ξ - кут між поверхнею сонячної батареї та
напрямом на сонце, в градусах; θ - кут між напрямками на зеніт і сонце; β - кут
нахилу поверхні до горизонту, в градусах; ρ – альбедо або коефіцієнт
відображення від земної поверхні.
Кути θ і ξ визначаються за формулою [12]:

cosθ = sinδ sinϕ + cosδ cosϕ cosω (2.13)
cosξ = sinδ sin(ϕ − β )+ cosδ cos(ϕ − β )cosω (2.14)
22

де δ - нахил сонця, в градусах; φ - географічна широта певної місцевості, у
градусах; ω - годинний кут сонця, в градусах.
Нахил сонця визначаємо за формулою Купера, а годинний кут визначається
за формулою [32]:

δ = 23,45sin360 284+ n 
 (2.15)
 365 
ω = (15 год−1 )(tSOL −12) (2.16)

де n – порядковий номер дня року; tsol – місцевий сонячний час на годиннику.
Азимутне спостереження за інтенсивністю сонячного випромінювання
проводиться за формулою 2.12. Визначаємо кут між напрямком сонця та
поверхнею за формулою [32]:

cosi = sin β[cosδ (sin β cosαП cosω + sinαП sinω)− sinδ cosϕ cosαП ]+
[ ] (2.17)
+ соsβ cosϕ cosω + sinδ sinϕ

де аП – азимут поверхні сонячної батареї.
При керуванні роботою сонячної батареї, коли сонячна батарея слідкує за
сонцем, азимут поверхні СБ дорівнює азимуту сонця та розраховується за
формулою [34]:

α = arcsin cosδ sinϕ 
  (2.18)
 cosα 

де α – кут висоти сонця:

α = arcsin(sinδ sinϕ + cosδ cosϕ cosω)⇒α = arcsin(cosθ ) (2.19)

При повному слідкуванні СБ за сонцем сумарна інтенсивність сонячного
випромінювання визначається:
23
I I П I 1+ cosθ
OP = + D + ρ(I І 1− cosθ
П + D ) (2.20)
cosθ 2 2

Зміна температури навколишнього середовища визначається за формулою:

TB (t) T ∆TM  2π 
= OB + cos (t − t ) (2.21)
2  t SOL M 
П 

де Тов – середньодобова температура навколишнього середовища, °С; Тм –
добова амплітуда температури навколишнього середовища, °С; tП – період зміни
температури навколишнього середовища, °С; tМ – час настання максимальної
температури навколишнього середовища по місцевому сонячному часу за
годинником.
Температура сонячної батареї визначається через рівняння енергетичного
балансу сонячної батареї [34]:

T I ⋅[µ −η0 (1+ χ ⋅T0 )]+ λ ⋅F ⋅T
= B (2.22)
λ ⋅F − I ⋅η0 ⋅ χ

де I – інтенсивність випромінювання на поверхні СБ, Вт/м2; µ - коефіцієнт
поглинання сонячною батареєю сонячного випромінювання; η0 – ККД сонячної
батареї; χ – температурний градієнт залежний від конструкції та типу сонячної
батареї, χ=0,003÷0,005 К-1 [39]; λ – коефіцієнт тепловіддачі поверхні сонячної
батареї; Т0 – температура сонячної батареї при проведених випробування, °С; Тв –
температура навколишнього повітря, °С; F – відношення тильної та лицьової
площі СБ до площі освітлюваної поверхні.
Коефіцієнт тепловіддачі поверхні СБ визначається з рівняння:

λ = λK + 4ε ⋅σ ⋅T 3
B (2.23)
24
де λк - коефіцієнт конвекції, Вт/(м2·°С); ε - інтегральний коефіцієнт
випромінювання сонячної батареї; σ - постійна Стефана - Больцмана ζ=5,67·10-8
Вт/(м2·°С4) [39].
Коефіцієнт конвекції розраховується за формулою Мак-Адамса:

λK = 5,7 + 3,8v (2.24)

де v – швидкість вітру, м/с.
Матмодель керування роботою СБ була складена з врахуванням всіх вище
наведених залежностей, представлена системою рівнянь:

  q   I−I   I  
Vo 0 
 A⋅k⋅T OC − ℑSC ⋅RП +1g +Vo ⋅β (T −T
I I SC V 0 )−1
V ′ (T , I , ) A ⋅ k ⋅T (I ⋅ z ⋅ℑ)e   0   0   
 СБ ℑ = ln +1 − ℑR ;
 q  I ⋅ z П

  

ℑ (I ,T ) I − I
= ℑo + 0
SC SC ⋅ℑoSC + β I ⋅ℑoSC (T −T0 ); I
 0
 ( ) I ′[µ −η0 (1+ χ ⋅T0 )]+ [Т I ,T ,v (5,7 + 3,8v)+ 4ε ⋅σ ⋅T 3
B (n,t)]⋅F ⋅TB (n,t)
 B =
 [(5,7 + 3,8v)+ 4ε ⋅σ ⋅T 3
B (n,t)]⋅F − I ′η0 ⋅ χ

I (I П , I D ,ρ, ,Y , ,τ ) I (n,t)cosΛ I (n,t)1+ cosY
Λ Ω =  П + D + ρ(n)[(I (n,t)+ I (n,t))]1− cosY 
П D ⋅τ ;
  cosΩ 2 2 

τ (Λ) = (1− ρotp (Λ))exp B 
− K ;
  cosΛ 
VСБ = N ⋅VС′Б (T , I ,ℑ)

IСБ = N ⋅ℑ⋅ SСБ ;

РСБ =VСБ ⋅ ІСБ . (2.25)

де А - безрозмірний параметр кривизни ВАХ; V'СБ - напруга СБ, В; k -
постійна Больцмана, Дж/К; qе - заряд електрона, Кл; Т - температура сонячної
батареї, °С; z - коефіцієнт пропорційності щільності потоку до інтенсивності
сонячного випромінювання, А·м2/Вт·см2; I та I' - інтенсивність сонячного
випромінювання, що падає на поверхню СБ та віднесена до одиниці поверхні СБ,
Вт/м2; ℑ - щільність потоку, А/см2; VоОС – напруга холостого хода сонячної
батареї, В; ℑoOC - щільність струму короткого замикання сонячної батареї,
25
виміряно при стандартних умовах освітлення ℑ0 =1000Вт/м2 та температурі
сонячної батареї То=(20+2)°С, А/см2; Rп - опір поверхні сонячної батареї, Ом·см2;
k – коефіцієнт освітленості в межах від 0≤к≤2 до 0,5≤к≤1,5 [29]; β1, βV –
температурні коефіцієнти струму та напруги, 1/°С; ℑOC – щільність струму
короткого, А/см2; µ - інтегральний коефіцієнт поглинання сонячною батареєю
сонячного випромінювання; η0 – ККД сонячної батареї отриманий при
випробуванні; χ – температурний градієнт залежний від конструкції та типу
сонячної батареї, χ = 0,003÷0,005К-1 [39, 43]; (5,7+3,8v) - співвідношення Мак-
Адамса для визначення коефіцієнта конвекції, Вт/(м2·°С); v - швидкість вітру, м/с;
ε - інтегральний коефіцієнт випромінювання сонячної батареї; σ - постійна
Стефана – Больцмана, σ=5,67·10-8 Вт/(м2·°С4), [15, 19]; Т0 - температура сонячної
батареї при проведених дослідженнях, °С; Тв - температура навколишнього
повітря, °С; F - відношення тильної та лицьової площини сонячної батареї до
площі освітленої поверхні; t – час, години; n – порядковий номер дня року; ρ -
альбедо або коефіцієнт відображення земної поверхні; IП та ID - інтенсивність
прямого та дифузійного розсіяного випромінювання сонця на поверхню СБ,
Вт/м2; Α, Ω, Υ - кути, що визначають просторову орієнтацію СБ, в градусах; η, ρОТР
– коефіцієнти пропускання та відображення сонячного випромінювання поверхні
сонячної батареї; К - показник поглинання сонячного випромінювання поверхні
сонячної батареї, см-1; В - товщина поверхні сонячної батареї, см; IСБ - струм
навантаження сонячної батареї, А; N - кількість сонячних батарей, штук; SСБ -
площа сонячної батареї, см2; РСБ - потужність СБ, Вт.
Розроблена матмодель сонячної панелі дозволяє оцінити вихідні енергетичні
характеристики сонячної панелі: температури повітря; інтенсивність сонячного
випромінювання; швидкості вітру; ступені орієнтації сонячної панелі на сонце в
залежності від пори року та часу доби.
Дана математична модель дозволяє управляти роботу СБ в залежності від
ступеню освітленості та кліматичних умов.

26
Вітрова установка
Необхідно розробити матмодель вітрової установки як основне джерело
енергії. Для складання матмоделі керування вітровою установкою необхідно
знати потужність вітродвигуна, яка визначається за формулою [36, 38]:

P 3
ВУ = 0,5ρ ⋅S ⋅C p ⋅ηГ ⋅η р (2.26)
де ρ - густина повітря, кг/м3; S - площа взаємодії вітрового колеса, м2; СР -
коефіцієнт використання потужності, визначається конструкцією вітрової
установки; ηГ – ККД генератора; ηР – ККД редуктора.
Кутова швидкість вітродвигуна пропорційна частоті струму в обмотці
синхронного генератора та визначається як:

ω 2π ⋅ f
= (2.27)
2 p

де 2p – число пар полюсів; f – частота струму синхронного генератора, Гц.
Швидкість вітру визначається за формулою:

V 2ω ⋅M
= A
3 (2.28)
ρ ⋅S ⋅C p

де МА – аеродинамічний момент ротора.

2.2 Моделювання комплексу системи енергозабезпечення автономного
об'єкта декількома джерелами генерації енергії

Повна автоматизація енергозабезпечення автономного об'єкта обумовлює
необхідність визначення спожитої потужності автономним об'єктом, що
приводить до розробки методики розрахунків спожитої потужності системи.
Для створення математичної моделі системами автоматизованого керування
підсистемами «інтелектуального, розумного» автономного об'єкта необхідно
27
визначити показник працездатності системи енергозабезпечення, який дає
можливість забезпечити автономний об'єкт електроенергією потужністю:

PГ + РА ≥ РП ⋅k3 (2.29)

де Рг – потужність, згенерована спільно всіма типами відновлюваних джерел
енергії, Вт; РА – потужність, Вт; РП – потужність, необхідна споживачеві, Вт;
kЗ – коефіцієнт запасу.
Ефективність електрогенеруючих установок містить в собі набір показників,
що визначають працездатність, надійність, техніко-економічні показники та т.п. В
розглянутій системі автоматизованого керування системи енергозабезпечення
автономного об'єкта сума джерел електричної енергії дорівнює сумі потужностей,
що витрачається в приймачах цієї енергії за винятком втрат при перетворенні
енергії. Джерелом енергії є обладнання що працює на відновлюваних джерелах
енергії, як сонячна батарея та вітрова установка. Система акумулювання є як
джерелом енергії, так і споживачем.
Сумарну потужність електроенергії згенерованої всіма видами
відновлюваних джерел енергії записуємо у вигляді формули:

P = PВУ + РСБ (2.30)

де РВУ – потужність вітрової установки, Вт; РСБ – потужність сонячної
батареї, Вт.
Дані потужності визначають конструкцію генеруючих обладнань.
Середня потужність сонячної установки визначається за формулою:

Р Г
СБ = RC ⋅ηСП ⋅ηС (КС (β )NC )⋅SC (2.31)

де R Г
C – середньодобова потужність сонячного випромінювання, що
надходить на горизонтальну поверхню одиничної площі сонячної поверхні,
кВт/м2.
28
Баланс потужностей системи енергозабезпечення автономного об'єкта
необхідний для розробки автоматизованого керування системи в цілому.
Згенерована потужність електроенергії в будь-який момент часу при
розглянутому періоді більше потужності, необхідної автономному об'єкту.
Кількість енергії, яку можливо зберегти в даний момент часу, визначається двома
параметрами - ємністю системи акумулювання та максимальним значенням
струму і визначається залежністю:

CA ⋅ (1− k p )≥ DA (2.32)

де СА – ємність акумуляторної батареї; kР – коефіцієнт припустимого заряду
акумуляторної батареї, kР≈0,2; DА – зведена ємність системи акумулювання.
Для складання математичної моделі автоматизованого керування
автономного об'єкта необхідно скласти баланс потужностей:
- при PA = P P
− П ≥ 0
kI
PA ⋅ t ≤ DA ⋅U A ⋅kA ; D′ D P
= − A ⋅ t
 P ⇒  A A k
U A ;
 A  A (2.33)
I A = ≤ I ,
 N ⋅U З 
A A Рb = 0
PA ⋅ t ≤ DA ⋅U A ⋅k A ;
 D′ = D − I ⋅ t ⋅k ;
 PA ⇒ A A З A
 (2.34)
I A = > I З , Рb = PA − I
N ⋅U З ⋅U A
 A A
PA ⋅ t > DA ⋅U A ⋅k A ; D′A = 0;
 Р ⇒ 
 А  DA ⋅U A
І А = ≤ I З , Рb = PA −
 N 
A ⋅U A  k A ⋅ t
(2.35)
PA ⋅ t > DA ⋅U A ⋅kA ;
 D′
P ⇒ A = DA − I З ⋅ t ⋅kA ;
I = A (2.36)
 A > I З , 
Рb = (PN ⋅U A − I З ⋅U A )
 A A

де РП - спожита потужність, Вт; NА – кількість акумуляторних батарей
з'єднаних паралельно, штук; UА – напруга заряду однієї акумуляторної батареї, В;
29
IА – струм заряду однієї акумуляторної батареї, А; kА – ККД акумуляторної
батарей; DА та D´А - початкове і кінцеве значення ємності і системи
акумулювання, А·год; РА – надлишок потужності, частина якої витрачається на
живлення акумуляторної батареї або розсіяна баластним навантаженням, Вт; Рb –
потужність, що використовується баластним навантаженням, Вт; IЗ – струм
заряду, А;
- при P P
A = P − П < 0
kI

PA ⋅ t ≤ [(1− k p )CA −DA ]⋅U A ;  P ⋅ t
 D′ = D + A A (I );
 Р ⇒  A A U P A
 A (2.37)
І = А
 А ≤ I ,
 n ⋅U P 
A A CФ′ = (1− kP )CA −D′A > 0

де IР – максимально припустимий струм розряду акумулятора, А; Ар(IА) –
коригувальна функція струму розряду, значення якої ≥1; СА' – поточна ємність
акумулятора, А·год.
Коригувальна функція струму розряду в ланцюзі системи акумулювання
визначається за функцією:

 I k
AP = a ⋅e a + b, → при c
→ І > 10
А ;
 T10
 c
A 10
P = B(I A ), → при → І А ≤ ; (2.38)
 T10

AP =1, → при c
→ 10 c
≤ І А ≤
20 ,
 T10 T20

де а, b – параметри АР(IА); С10 і С20 – номінальна ємність акумулятора, А·год;
Т10 та Т20 – час заряду та розряду, що дорівнює 10 і 20 годин, год.
Відновлюваними джерелами є - енергія вітру та сонячного випромінювання.
Реальна кількість електроенергії, яка може бути згенерована на основі цих
джерел, залежить від кількості генеруючих установок, їх технічних параметрів та
кількісного співвідношення генеруючих пристроїв різних видів: вітрових
30
установок та сонячних панелей в структурі комплексу енергозабезпечення. Таким
чином, сумарна потужність, що виробляється генеруючими установками буде
мати вигляд:

P = RΣ ⋅NСБ ⋅Sη ⋅ηСП ⋅η
3
С + 0,5 ⋅N ВУ ⋅ ρ ⋅SВУ ⋅V ⋅ηВД ⋅ηB (2.39)

де RΣ - поточна сумарна потужність прямого та дифузійного розсіяного
випромінювання сонця на поверхню сонячної батареї, кВт/м2; NСБ - число
сонячних батарей, штук; Sη - площа сонячної батареї, м2; ηСП - ККД сонячної
батареї; ηС - ККД лінії електропередач, систем комунікації, стабілізації та ін.
сонячної панелі; NВУ - кількість вітроустановок, штук; Ρ - густина повітря, кг/м3;
Sву - площа дії вітрового колеса, м2; ηвд - ККД вітрової установки (сумарний ККД
генератора, редуктора, вітроколеса та ін.); ηв – ККД лінії електропередач, систем
комунікації, стабілізації та ін. вітрового двигуна.
Основним параметром вітрової установки є діаметр вітроколеса, значення
якого залежить від його площі охоплення вітровим колесом і висотою розміщення
його осі над поверхнею землі:

D S
= 2 ⋅ ВУ (2.40)
π

Якщо вісь вітрової установки розташована вертикально, то його параметри
будуть визначатися за виразом:

SВУ = D ⋅H K (2.41)

де D - діаметр вітроколеса, м; HК – висота розміщення вісі вітроколеса, м.
Коефіцієнт ηСБ збільшується шляхом застосування систем концентрації
сонячного випромінювання та спостереження за сонцем. Енергетичний потенціал
31
сонячного випромінювання – кількість енергії сонячного випромінювання, що
надходить на горизонтальну поверхню одиничної площі за одиницю часу.
Сумарна потужність (2.39) є функцією часу, значення якої доступні в
дискретних точках, заданих через постійні проміжки часу:

∆T = t j+1 − t = const (2.42)

Вважаючи, що функція Р(t) на відрізку часу ΔT змінюється по лінійному
закону від значення Р1 до Р2, а спожита потужність постійна. Отримаємо вираз
для розрахунків надлишкової та недостатньої енергії при наступних можливих
варіантах співвідношень (2.43–2.46) згідно з рис. 2.1:

а) б) в) г)
Рис. 2.1. Зміна функції Р(t) на відрізку часу ΔT: а) при P Р P
1 ≥
П , P2 ≥
П ; б) при
kI kI
P РП PП РП PП
1 < , P2 < ; в) при P1 ≥ , P2 ≥ ; г) при P Р
< П , P PП
1 2 > .
kI kI kI kI kI kI
при P Р P
1 ≥
П , P П
2 ≥ ;
kI kI

 P1 + P 2P
2 −
П
 k
W I
I = ⋅∆T ; (2.43)
 2
WН = 0.
при P РП P
1 < , P2 <
П ;
kI kI
WI = 0;
 2P
 П − P1 − P2 (2.44)

W
k
Н = I ⋅∆T
 2
32
при P РП PП
1 ≥ , P ≥ ;
k 2
I kI
 2

P 2P 
  1 −
П 
  k 
W = I 
 I ⋅∆T ;
 2(P1 − P2 )
 (2.45)
2
 
P 2PП 
  2 − k 
W =  I 
Н ( ⋅∆T
 2 P1 − P2 )
при P РП
1 < , P PП
k 2 > .
I kI
 2
 
 P 2P
− П
2 
  k 
I 
WI = ( ⋅∆T ;
 2 P1 − P2 )
 (2.46)
2
 
P 2P
− П 
  1 
 k
W =  I 
 Н
 2(P1 − P2 )
⋅∆T

де WІ – надлишкова енергія; WН – недостача енергії.
Таким чином, на годинному відрізку [tj, tj+1], i=0, 1, 2... m значення
потужності ΔWj ≥0 або ΔWj<0, відповідно до залежності (2.38–2.39):

∆WJ =WI +WH (2.47)

де j – порядок номера годинного відрізка.
Якщо ΔWj≥0, то частина надлишкової енергії буде акумульована у
відповідності (2.38–2.41), а частина що залишилась, розсіяна:

∆DJ = DJ −DJ′ (2.48)

При цьому енергетичний баланс системи виражається через рівняння:

∆WJ = ∆DAj ⋅U A + Pbj ⋅∆T (2.49)

де DА й D´А - початкове та кінцеве значення ємності і системи акумулювання,
А·год, визначаються (2.32–2.36); Рb – потужність, використана баластним
навантаженням, Вт, з врахуванням (2.33–2.36), визначається:
33
∆W
PA =
j , Pbi = Pj , ∆T = t (2.50)
∆T

Якщо ΔWj<0, то недостатня частина енергії поповнюється з системи
акумулювання та рівняння енергетичного балансу приймає вигляд:
∆W
∆D j
Aj ⋅U A (2.51)
∆T

де ΔDА – визначається з рівняння (2.37) з врахуванням (2.50).
Співвідношення (2.49) і (2.51) представляють математичну модель системи
енергозабезпечення автономного об'єкта із застосуванням відновлюваних джерел
енергії.

2.3 Розробка системи низьковольтного освітлення автономного об'єкта з
використанням сонячної панелі

При проведених дослідженнях виявили, що напруга струму, яку виробляє
сонячна панель, збігається з напругою світлодіодного освітлення та дорівнює
24 В. Постійний струм з напругою 24 В є низьковольтним [30] і не представляє
небезпеки для життя людини.
Класичну схему включення світлодіода в освітлювальному приладі наведено
на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Типова схема освітлювальних приладів: 1 – перетворювач змінного
струму в постійний (драйвер), 2 – світлодіод, 3 – еквівалентний опір світлодіода,
4 – контур освітлювального приладу.

34
Одним з елементів освітлювального приладу є джерело живлення 1
(перетворювач зі змінної напруги в постійну). Таким чином, при освітленні
світлодіодним світильником приміщення відбувається втрата енергії при
перетворенні напруги драйвером, тому що його ККД не рівний 100 %.
При впровадженні альтернативних джерел енергії, зокрема сонячних батарей
або сонячних елементів живлення, для використання типових освітлювальних
приладів необхідно перетворити постійний струм в змінний (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема перетворення з постійної напруги, що виробляється сонячною
батареєю в змінну: 1 – сонячна батарея, 2 – перетворювач із постійної напруги в
змінну.

При використанні альтернативних джерел енергії використовують
освітлювальні прилади, що представлені у вигляді контуру 4 на рис. 2.2. Для
забезпечення змінної напруги 220 В встановлюється конвертор 24-220 В. Таким
чином, загальну схему реалізації підключення світлодіодних освітлювальних
систем наведено на рис. 2.4

Рис. 2.4. Загальна схема реалізації підключення світлодіодних освітлювальних
систем: 1 - сонячна батарея, 2 - конвертор, 3 - перетворювач змінного струму в
постійний, 4 - світодіод, 5 - освітлювальний прилад.

35
Незважаючи на незначний ККД сонячних батарей, їх застосування є
ефективним через використання відновлюваного джерела енергії. Однак, в
розглянутій схемі (рис. 2.4) є два перетворювачі - позиції 2 і 3, що вносять втрати
та витік в систему освітлення. Перший перетворювач 2 здійснює перетворення
постійного струму, що виробляється сонячною батареєю 24 В в напругу мережі
220 В змінного струму, а другий конвертор (перетворювач змінного струму в
постійний) 3 здійснює перетворення змінного струму в постійний з 220 В до
напруги в 24 В.
ККД перетворювача визначається за формулою:

η = Pd (Pd + ∆P) (2.52)

де Рd – потужність перетворювача:

Pd = Pd .ном η (2.53)

де Рd.ном – номінальне значення потужності перетворювача; Р – сумарна
потужність втрат в перетворювачі.
Сумарна потужність втрат у перетворювачі визначається:

ΔР=ΔРВ+ΔРкер+ΔРтр (2.54)

де ΔРВ – втрати у вентилях перетворювача:

ΔРВ = n·ΔUпр·Iа (2.55)

де n - кількість вентилів в схемі випрямляча перетворювача; ΔUпр – пряме
спадання напруги у вентилі перетворювача, В; Iа – середнє значення анодного
струму у вентилі перетворювача, Iа= Id.ном/3, А; Id.ном – значення номінального
струму двигуна перетворювача, А; ΔРкер – потужність, спожита системою
36
керування. Можна прийняти ΔРкер=0,5%·Рd.ном, Вт; ΔРтр - втрати в силовому
трансформаторі:

ΔРтр=ΔРст+ΔРм (2.56)

де ΔРст - втрати в силовому трансформаторі; ΔРм – втрати в міді
трансформатора, визначається за формулою:

ΔРм=Ркз·(I2/I2 ном) (2.57)

де Ркз – потужність короткого замикання; I2 – дійсне значення робочих
струмів вторинної обмотки; I2 ном – струм вентильної обмотки.
Для впровадження низьковольтної системи ми розрахували необхідний
переріз проводів при використанні низьковольтних світлодіодних ламп. Для
розрахунків використовуються мідні провода з питомим опором 0,0175 Ом·мм2/м.
- опір проводу визначається за формулою, Ом:

R=ρ×(l/S) (2.58)

де l – довжина провідника, м; ρ – питомий опір проведення, Ом·мм2/м; S –
площа поперечного перерізу, мм2.
- площу поперечного перерізу визначаємо за формулою:

S=ρ·(l/R) (2.59)

Струм в лінії проводу визначається за формулою:

I=Р/U (2.60)

де Р – потужність, спожита навантаженням, Вт; U – напруга в лінії проводу, В.
Впровадження низьковольтної системи живлення дає можливість ефективно
використовувати отриману сонячною панеллю енергію без втрат на перетворення.

37
2.4 Оптимізація процесу автоматизованого контролю та керування
температурою в автономному об'єкті

Не маловажним фактором при енергозабезпеченні автономного об'єкта є
температура в приміщенні об'єкта. Ефективність контролю та керування
мікрокліматом автономного «розумного» будинку залежить від оптимального
вибору методів та засобів. Засоби контролю характеризуються економічними та
точнісними показниками. Показниками якості контролю є достовірність.
Завдання оптимізації полягає в мінімізації суми витрат на систему контролю
та втрат за той же період функції вірогідності (рис. 2.5). Втрати в даному завданні
виміряються вартістю життя середньостатистичної людини в певній обстановці,
де температура в середовищі його проживання є критичним параметром.

Рис. 2.5. Графічна модель оптимізації рівня вірогідності в системі контролю
температури: C - витрати, Ссум - сумарні витрати, С2D - втрати функції
вірогідності; С1σ – витрати на придбання обладнання, D – вірогідність.

Цільова функція витрат на придбання обладнання та зазначених вище втрат
функції вірогідності контролю представлена в наступному вигляді [42]:

CΣ =C1(σ )+C2 (D) (2.61)

де С(σ) – витрати на придбання та експлуатацію обладнання, що
контролюють параметр S похибкою σ; С2(D) – економічні втрати за
контрольований період функції вірогідності; D – вірогідність контролю (D=1-PHO-
PЛО); PHO – ймовірність невиявленої відмови; PЛО – ймовірність хибної відмови.
38
З виразу (2.61) випливає, що впровадження системи контролю приводить до
вимірювання СΣ в двох напрямках:
- до збільшення за рахунок додаткових витрат на обладнання С1σ;
- до зменшення за рахунок скорочення втрат у досліджуваній системі
С2D[29, 39-41].
Втрати С2D обумовлені PHO і PЛО. Їх можна представити у вигляді суми
доданків [39-41]:

C2 (D) =CHO (PHO )+CЛО (РЛО ) (2.62)

де СЛО(PЛO) – ймовірні втрати від помилок, що називаються у теорії
надійності, хибною відмовою, а в системі прийняття рішень невірним сигналом
контролю; СНО(PНО) – імовірність втрат від невиявлених відмов.
Перша складова у виразі (2.61) вартість засобів контролю та регулювання
температури в приміщенні, знайдена за емпіричними даними може бути
апроксимована наступним виразом:

C1(σ ) = 550 ⋅exp(− 0,112 ⋅σ ) (2.63)

Підставляючи (2.58 і 2.59) в (2.47) одержимо цільову функцію в загальному
вигляді:
CΣ =CHO (PHO )+CЛО (РЛО )+С −α
0σ +α0 (2.64)

де σ – похибка вимірювання температури.
Формально модель оптимізації визначається [29, 39-41]: CΣ → min
- при наявності обмеження σmin ≤ σ ≤ σmax;

Δmin≤Δ≤ Δmax; C1(σ)≤C1(σ)max;

Дана модель дозволяє визначити оптимальні значення вірогідності контролю
D, похибка приладу σ та значення поля допуску на параметр Δ за умови:
∆ = SB − SH ; СΣ =СΣmin , то σ =σ opt ; ∆ = ∆opt
39
де SB – верхнє значення допуску контрольованого параметра; SH – нижнє
значення допуску контрольованого параметра.
У виразі (2.64) присутні два роди помилок:
- перша помилка, оцінюючи ймовірністю РНО, полягає в тому, що
вимірювана температура середовища знаходиться за граничним значенням, а
прилад вимірювання фіксує значення у встановлених межах, і автоматична
система буде підтримувати цей температурний рівень. Ця помилка є
найнебезпечнішою для здоров'я людини;
- друга помилка, оцінюючи вірогідність РЛО, полягає в тому, що вимірювана
температура середовища перебуває в нормативних межах, а прилад вимірювання
фіксує значення за встановленими межами, і система буде відпрацьовувати в бік
зменшення.
Так як перша помилка є небезпечною, то другою складовою можна
знехтувати. Для переходу від загального виду цільової функції, заданої виразом
(2.64) до частки, необхідно визначити вид емпіричних залежностей СНО(PНО) при
контролі температури автономного об'єкта Т. Оптимізація емпіричної функції СΣ
описана залежністю:

CΣ = 906,6+ 42,01σ − 68,1σ 2 +15,03σ 3 −1,19σ 4 + 0,03σ 5 (2.65)

Першим етапом моделювання передбачається, що щільність розподілу
контрольованого параметра f(S) та випадкові похибки θ(Sизм) підкоряються
нормальним законам, що мають наступні аналітичні формули [29, 39-41]:
 
1  (S − S )2f (S ) 
= exp− i CP  (2.66)
2πσ 2
⋅  σ 2 
S  S 
 
 2 
ϕ(S 1 Sобм (2.67)
вим ) = exp− 
2πσ ⋅ 2  2 
σϕ  σϕ 
де Si – дійсне значення параметра; Sвим – вимірюване значення параметра.

40

Рис. 2.6. Результати комп'ютерного моделювання залежності сумарних ймовірних
витрат функції похибки контролю температури повітря

Для складання матмоделі кількісної оцінки помилок контролю обмежимо
контрольований параметр верхньою та нижньою межами.
Розділимо інтервал від нижньої до верхньої частини на k ділянок, при цьому
вірогідність знаходження параметра в припустимих межах буде рівна сумі площ
цих ділянок [29, 39-41]:

k=1 Si+1
S A =∑ ∫ f (s)ds (2.68)
i=1 Si

Кожне значення виміряне приладом, має свій розподіл:
SH ∞
Sib = ∫ϕ(s)ds + ∫ϕ(s)ds (2.69)
−∞ SB

Так як з точністю 95 % можна сказати, що всі значення розподілені в
інтервалі від (Sсер-3·σ=Smin) до (Sсер+3·σ=Smax), то розподіливши ділянки на k1 та k2
інтервали, отримаємо інший вираз для розрахунку ймовірності попадання
виміряного значення температури автономного об'єкта за межі нормативів [19]:

k1−1 Si+1 k 2−1Si+1
Sib =∑ ∫ϕ(s)ds + ∑ ∫ϕ(s)ds (2.70)
i=0 S i
i =0 Si

Таким чином, ймовірність хибної несправності буде рівна:

41
k−1  Si+1  k1−1 S j+1
 k 2−1S j+1 
PЛБ =∑ ∫ f (s)ds ⋅∑ ∫ϕ(s)ds + ∑ ∫ϕ(s)ds (2.71)
i=0 
 S  j=0 S j=0 
i j S j 

Принцип оптимального керування мікрокліматом автономного об'єкта
будується на емпіричному показнику, що характеризує дію на організм людини
параметрів мікроклімату, таких як, температура, вологість, швидкості руху
повітря та теплове випромінювання. Даний показник називається тепловим
навантаженням середовища ТНС, який визначається як зважена сума двох
температур [32]:

THC = 0,7 ⋅ tω + 0,3 ⋅ tg (2.72)

де tω - температура змоченого термометра аспіраційного психрометра.
Використовуючи співвідношення, наведені в [31] можна визначити, що:

tω = ta ⋅ t0 ⋅ ln(RH ) (2.73)

де t0 - характерний масштаб температурної залежності тиску насичуючих
парів води, t0=16,7 °С.
Виконуючи відповідні підстановки, одержимо формулу для ТНС індексу:

THC = 0,7 ⋅ ta + 0,3 ⋅ tg + t1 ln(RH ) (2.74)

При використанні ТНС рекомендована швидкість руху повітря не повинна
перевищувати 0,6 м/с, а інтенсивність теплового випромінювання 1200 Вт/м2.
Алгоритм роботи керування температурою в автономному об'єкті наведено
на рис. 2.7.
При розробці автоматизованого керування енергозабезпеченням та
енергоспоживанням автономного об'єкта складена математична модель
оптимального автоматизованого керування температурою в автономному об'єкті.
42
Математична модель основана на алгоритмі оптимального автоматизованого
керування температурою в автономному об'єкті за критерієм точності
регулювання температурного режиму.

Рис. 2.7. Алгоритм роботи керування температурою в автономному об'єкті.

Процес автоматичного регулювання температури складається з періодичного
вимірювання поточного значення температури та порівнянні вимірюваного
значення з допусками, що встановлюються в ручну.
Збір, зберігання, обробка та передача даних про параметри автономного
об'єкта та відновлюваних джерел енергії це – процес, що містить дані про
необхідну кількість потужності в певний момент часу та відповідно можливість
забезпечення цієї потужності відновлюваними джерелами енергії. Методика
розроблена авторами [28] дозволяє автоматизувати стан відновлюваних джерел
енергії і складається з наступних етапів:
43
- створення бази даних поточних вимірювань вітру та сонячної інсоляції;
- обробка збору інформації, що дозволяє зберегти, обробити і використати
інформацію про середню швидкості вітру, сонячної інсоляції;
- створення бази даних та програмного рішення з метою обробки даних.

Висновки до другого розділу

1. Розроблена математична модель, що дозволяє управляти та оптимізувати
роботу СБ залежно від ступеню освітленості та кліматичних умов.
2. Продемонстрована методика розрахунків балансу потужностей
автономного об'єкта, яка дозволяє ефективно використовувати згенеровану
енергію від джерел.
3. Розроблена математична модель системи енергозабезпечення
автономного об'єкта із застосуванням вітрової установки та сонячної панелі.
4. Проведено розрахунок низьковольтної системи живлення. Запропонована
методика, що дозволяє ефективно використовувати вироблену сонячною панеллю
енергію без втрат на перетворення.
5. При створенні автоматизованого керування енергозабезпеченням та
енергоспоживанням автономного об'єкта розроблена математична модель
оптимального керування температурою.
44

РОЗДІЛ 3. SMART ЦЕНТР КЕРУВАННЯ
АВТОМАТИЗОВАНИМИ СИСТЕМАМИ
ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОНОМНОГО
ОБ'ЄКТА: АЛГОРИТМІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
ТА ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ

МКР 23.144.44 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Співак Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько РОЗДІЛ 3. SMART ЦЕНТР КЕРУВАННЯ
АВТОМАТИЗОВАНИМИ СИСТЕМАМИ
ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОНОМНОГО
Н. Контр. ОБ'ЄКТА: АЛГОРИТМІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТА
ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ ЧДТУ, мТЕ-88
Затверд. Калейніков
45
Розділ присвячено проведенню натурних випробувань та апробації
низьковольтної світлодіодної системи освітлення з поновлюваними джерелами
енергії в автономному об'єкті та розроблення моделі оптимального керування
температурою в автономному об'єкті. І також розробці методу комплексного
керування системи електропостачання з використанням Smart контролю
керування та керуванню контролером енергозабезпечення автономного об'єкта з
елементами Smart технології.

3.1 Низьковольтна система освітлення

Застосування низьковольтної системи в освітленні дозволить заощадити
енергію, що втрачається при подвійному перетворенні струму. Напруга струму,
що виробляється сонячною панеллю дорівнює напрузі світлодіодної лампи і
становить 24 В.
Для дослідження була розроблена конструкція, що складається з сонячної
панелі, перетворювача, акумуляторної батареї, світлодіодного прилада,
вольтметра, амперметра та ватметра (рис. 2.6 з вимірювальними приладами
рис. 3.1) [33].
Кількість працюючих батарей залежить від кількості необхідної потужності
автономного об'єкта та від часу доби. Вибираємо сонячні батареї наступних
характеристик (одна панель сонячної батареї): струм короткого замикання 2,98 А;
максимальна потужність 400 Вт; напруга при максимальній потужності 18,3 В;
напруга холостого ходу 22,3 В; струм при максимальній потужності 2,73 А,
розміри 500×80000.

Рис. 3.1. Загальна схема вимірювання системи.
46
Джерелом енергії є сонячна панель СП. Напруга та струм були виміряні до та
після перетворювача і конвертора. Конвертор на рис. 3.1 є перетворювачем
напруги зі змінного струму на постійний струм. Загальний вигляд зібраної
системи для проведення вимірювань наведено на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Загальний вигляд системи освітлення.

Розглянемо загальну схему вимірювання ККД перетворювача та конвертора
(перетворювач зі змінної напруги в постійну) на рис. 3.1. Припустимо, що за
основу взято перетворювач напруги. В розрив ланцюга живлення включаємо
амперметр А1, і паралельно входу живлення перетворювача напруги вольтметр В1,
показання яких потрібні для розрахунку спожитої потужності Р1 пристрою та
навантаження разом від джерела живлення.
Для перетворення низьковольтної напруги використовувався модуль від
джерела безперебійного живлення марки АРС Васk-UPS. Для перетворення
змінного струму в постійний струм також використовувався перетворювач.
Значення струму та напруги наведено в табл. 3.1.
Таблиця 3.1
Експериментальні значення струму та напруги
I1, А U1, В Р1 Вт I3 А U3 В Р3 Вт I2 А U2 В Р2 Вт
2,2 12,6 27,7 0,14 37,6 5,3 0,06 207 11,1
47
Розрахунки проводяться за загальноприйнятими законами теорії електричних
ланцюгів. Потужність визначається за наступними формулами:

Р1=I1·U1 (3.1)
Р2=I2·U2 (3.2)

ККД перетворювача η1 визначаємо за формулою:

η1=(Р2/Р1)·100% (3.3)

По даній формулі (3.3) ми визначаємо реальний ККД перетворювача
напруги. Потужність конвертора (перетворювач зі змінної напруги в постійну)
визначається за наступними формулами:

Р2=I2·U2 (3.4)
Р3=I3·U3 (3.5)

ККД перетворювача зі змінної напруги в постійний η2 визначаємо за
формулою:
η2=(Р3/Р2)·100% (3.6)

Сумарний загальний ККД Ση перетворювачів можна визначити за формулою:

Ση=η1·η2 (3.7)

Результати розрахунків по отриманим експериментальним значенням
наведено в табл. 3.2.
Таблиця 3.2
Результати розрахунків експериментальних даних
Р1 Вт η1 % Р2 Вт η2 % Р3 Вт Ση %
27,7 40 11,1 47,8 5,3 20

48
Отримані результати показали неефективне застосування подвійного
перетворення напруги з 24 В в 220 В та з 220 В в 24 В.

3.2 Метод комплексного керування системи енергозабезпечення з
використанням Smart контролю керування

Розроблена структурна схема системи енергозабезпечення автономного
об'єкта з використанням Smart технології.
Для математичної моделі використовувався Simulink та Simpowersystems
візуального моделювання, що входить в пакет Маtlаb. Використання даного
програмного забезпечення дозволяє розглянути моделювання складних
електричних систем. Перевагою використання даної програми є комбінація
методів структурного та імітаційного моделювання. Такий підхід забезпечує
гнучкість системи відносно розробленої моделі.
Розробка імітаційної моделі системи енергозабезпечення дозволить
регулювати параметри сонячної батареї, вітрової установки, акумулятора, а
логічний алгоритм роботи системи керування досліджуватиме саму систему
електропостачання в основному та аварійних режимах.
В даному розділі розглядається комбінована автоматизована система
енергозабезпечення автономного об'єкта з використанням установок, що
працюють на відновлюваних джерелах енергії, таких як вітрова установка та
сонячна панель.
Створюється база даних для збору інформації про необхідну кількість
теплової та електричної енергії для системи енергозабезпечення автономного
об'єкта та кліматичні умови даного району.
Відновлюваним джерелом енергії вибираємо сонячні панелі, вітрову
установку. По мірі необхідності ці обладнання можуть працювати одночасно або
кожний окремо.
Пропонується керування системою електропостачання, в якій генератором
енергії системи електропостачання служить вітрова установка та сонячна енергія.
49
Надалі іменована як Smart технологія керування системою енергозабезпечення
автономного об'єкта.
До складу Smart технології керування системою електропостачання
автономного об'єкта входять ключі комутаційного навантаження (ККН), керовані
ключі сонячної батареї (ККСП), контролерна система керування, щит керування
ключами сонячної панелі (ЩКК СП), керуючий пристрій ключами комутаційного
навантаження (КПК КН), датчики струму акумулятора, сонячної батареї та
вітрової установки, датчик напруги акумуляторної батареї, блок збору інформації
та джерело живлення. Структурна схема Smart технології керування системою
енергозабезпечення автономного об'єкта наведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Структурна схема Smart технології керування системою
електропостачання автономного об'єкта.

Акумуляторні батареї обрані стандартні (рис. 3.1) в кількості 4 штуки. Дві
акумуляторні батареї з'єднані послідовно для утворення напруги 24 В, інші дві
між собою послідовно, відносно перших двох паралельно.
Система керування здійснює керування силовими ключами за допомогою
драйвера, розташованого в ЩКК СП та ВУ і КПККН. Комутація ключів
здійснюється таким чином, що до СБ може бути підключена одна пара
50
акумуляторних батарей або дві пари відразу залежно від заряду акумуляторів.
При аварійних ситуаціях система електропостачання автономного об'єкта
здійснюється від вітрової установки або акумуляторних батарей. При зниженні
заряду акумуляторних батарей формується аварійний сигнал, який надходить в
Smart центр.
Рівень заряду АБ організований за принципом підпорядкованого
регулювання напруги АБ (рис. 3.4). В нормальному режимі роботи принцип дії
системи енергозабезпечення оснований на підтримці достатнього рівня
потужності. Керування ключами організовано за принципом підпорядкованого
регулювання напруги АБ (рис. 3.4).
Виходячи з рівня напруги АБ регулятор IУ (UАБ) виробляє сигнал IУ, який є
струмом активації для підпорядкованого контуру регулювання. Регулятор IУ (UАБ)
спрямований підтримувати напругу АБ в діапазоні заданих значень
Uмін<UАБ<Uмакс. Коли UАБ досягає максимального значення Uмакс, сигнал IУ
фіксується в нуль і цей режим називається підтримка заряду АБ. При зниженні
UАБ до значення Uмін сигнал IУ фіксується в значенні, кількісно рівному
максимально припустимому зарядному струму АБ.

Рис. 3.4. Структурна схема підпорядкованого регулювання напруги
акумуляторної батареї.

В процесі роботи системи електропостачання автономного об'єкта (рис. 3.4),
збудження у вигляді навантаження IН або параметрів вольт-амперних
характеристик сонячної панелі (Iкз, Uхх) приводять до зміни струму акумуляторної
батареї на величину Δi відносно струму установки IУ.
51
В процесі роботи системи електропостачання автономного об'єкта збудження
у вигляді навантаження IН (3.1-3.2) або параметрів вольт-амперних характеристик
сонячної панелі (Iкз, Uхх) приводять до зміни струму акумуляторної батареї на
величину Δi відносно струму установки IУ. Регулятор струму прагне зменшити це
відхилення, щоб воно не перевищувало максимально припустимої величини ΔI3:

 m
∑ IСБk ± I АБ1, при U АБ1 −UVDB1 −U KB1 >U АБ 2 −U КВ2 ;
I  k=1
H =  (3.1)
n

∑ IСБk ± I АБ 2 , при U АБ 2 −UVDB2 −U KB2 >U АБ1 −U КВ1.
 k=1
U АБ1 −UVDB1 −U KB1, при U АБ1 −UVDB1 −U KB1 >U АБ 2 −U КВ2 ;
U H =  (3.2)
U АБ 2 −UVDB2 −U KB2 , при U АБ 2 −UVDB2 −U KB2 >U АБ1 −U КВ1.

Iкз, Uхх, UАБ, Iопт, Uхх, Uопт - струми короткого замикання та екстремальної
потужності, напруги холостого ходу та екстремальної потужності розраховуються
згідно з наведеними формулами (2.4–2.20).
Така структура не використовувалася в системі електропостачання об'єктів,
тому її досліджували за допомогою імітаційної моделі. Структура такої моделі
представлена на рис. 3.5 і складається із блоку – вхідні параметри СП та ВУ
освітлення, що імітує кут сонячної панелі, швидкості вітру в процесі
функціонування ВАХ, ВАХ СБ. Smart-центр керування системою
електропостачання автономного об'єкта, що імітує роботу ключів вітрової
установки та сонячної панелі ЩКК та ВУ, роботу СЕП в нормальному та
аварійному режимах R і роботу системи керування СУ. В структурі є дві
акумуляторні батареї АБ1 та АБ2, які утворюють загальну шину навантаженням
RН, що змінюється з часом. Система керування імітаційною моделлю призначена
для задання параметрів блоків, монітор для візуалізації контрольованих
параметрів змодельованих процесів.

52

Рис. 3.5. Структура моделі системи електропостачання.

Дана система електропостачання містить в собі сонячну панель, вітрову
установку, акумуляторну батарею та Smart технології керування системою
електропостачання автономного об'єкта. Структуру моделі системи
енергозабезпечення із сонячною батареєю та вітровою установкою наведено на
рис. 3.6.

Рис. 3.6. Структура моделі системи енергозабезпечення із сонячною батареєю.

Щоб модель дозволяла гнучко керувати ключами сонячної батареї та вітрової
установки, запропонована схема заміщення системи енергозабезпечення
автономного об'єкта, в якій регульоване джерело первинної енергії акумуляторної
батареї заміщено керованими сонячними батареями та вітровою установкою
(рис. 3.7), що імітують ступеневе збільшення або зменшення струмової складової
53
вольт-амперної характеристики сонячної батареї, вітрової установки – iСБnK(t) або
iСБmK(t) відповідно до сигналів (m і n) та K(t) – сигналом коефіцієнта освітленості
блоку задавача параметрів освітленості об'єкта.

Рис. 3.7. Схема заміщення структури системи електропостачання.

Задаючи значення n і m і гранично налаштовуючи ВАХ сонячної батареї при
повній освітленості та вітрову установку, отримаємо математичне описання
моделі регульованого джерела первинної енергії в пакеті Маtlаb.
Імітаційна модель системи електропостачання реалізована в програмі
SimPowerSystems пакета МаtLаb. Керована сонячна панель і вітрова установка
являють собою керовані джерела струму зі зворотним зв'язком по напрузі та
імітують загальну ВАХ сонячних панелей, підключених до акумуляторної батареї.
Функціональний зв'язок струму та напруги описано мовою С у блоці Simulink.
Модель задана емпіричною формулою (3.3-3.5) і налаштовується по точкам Iкз,
Iопт, Uхх, Uопт (струми короткого замикання та екстремальної потужності, напруги
холостого ходу та екстремальної потужності).
Коефіцієнт ступеня освітленості сонячної батареї:

Kosv (t) = sin(2πt Tosv ) (3.3)

54
де Тosv=Tob·α/360, Tob – період обертання Землі навколо Сонця, [19]; α – кут
освітлення поверхні сонячної батареї сонцем [19].
Відома емпірична залежність напруги від струму СБ [16, 19], вона зручна
тим, що ВАХ задаються параметрами: Iкз[Кosv(t)], Iопт[Кosv(t)], Uхх, Uопт.
Модель сонячної моделі будується в Маtlаb по залежності:

( m
In U C2Un
n ) = I кзreg (1−C1 ⋅ (e −1)) (3.4)
C −m
1 = 0,01175; С2 = 4,46U xx
lnC3 − ln 4,46 1,01175І − I
ь = , C = ln кзreg оптreg
3 (3.5)
lnU опт − lnU xx 0,01175Ікзreg

Динаміка зміни потужності сонячної батареї виходить із залежності:

Ікзreg (Kosv (t)) = I кз ⋅Кosv Iопт (Kosv (t)) = Iопт ⋅Кosv (3.6)

Швидкість вітру та потужності вітрової установки визначаються за
формулами (2.49) і (2.26).
Моделі акумуляторів АБ1 і АБ2 взяті із програми SimРowerSystems,
адаптовані до моделі та дозволяють із достатньою точністю налаштовувати
зарядну та розрядну характеристики АБ.
Модель R4_Blok імітує схему включення аварійного режиму та реалізована із
блоків програми Simulink. При моделюванні відслідковується напруга на АБ і у
випадку досягнення на кожній з них мінімально припустимого рівня виробляється
сигнал R4Out для відключення навантаження та переходу в аварійний режим
роботи Control system. При досягненні максимально припустимого рівня сигнал
знімається та відновлюється звичайний режим роботи.
Модель циклограми навантаження Load складається із блоків програми
Simulink і SimPowerSystems і являє собою залежне джерело струму, що реалізує
функцію I(t)=R4Outp(t)/U(t). Функція потужності P(t) задана у вигляді
прямокутних імпульсів, а напруга U(t) надходить із датчика напруги вихідної
55
шини. Сигнал коефіцієнта R4Out надходить із моделі R4_Blok і в звичайному
режимі рівний 1, а в аварійному режимі рівний 0, що дозволяє імітувати роботу
ККН як у звичайному, так і в аварійному режимах.
Модель коефіцієнта освітленості BZPO реалізована із блоків програми
Simulink та відображає зміну куту нахилу площини СП до променя сонячного
освітлення. Вихідний сигнал K(t) моделі BZPO представлено на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Осцилограма моделі циклограми освітленості СП.

Модель Control system містить блоки Simulink та моделі резервованих
мікроконтролерів ММК, які виконані в програмі Stateflow. Моделі
мікроконтролерів МК побудовані за принципом поділу алгоритмів роботи на
логічні блоки та представлені мовою UML.
Структурно ММК розділена на дві групи програмних блоків, які
представлено на рис. 3.9, а. в один модельований такт по черзі викликаються всі
ПБ, тобто працюють паралельно один з одним і кожний з них складає різні
режими роботи основного алгоритму і називається станом. Між станами
відбуваються переходи у відповідь на ініціюючі умови.
ПБ керування АБ рис. 3.9 блоки УАБ1 і УАБ2 ідентичні один одному та
імітують роботу контурів регулювання струмів і напруг АБ. В моменти переходів
між їх станами в кожний модельований момент часу формуються події на
підключення або відключення ВУ або СП (m±1, n±1) для ПБ керування (рис. 3.9,
а). На рис. 3.9, б для прикладу наведений стан, реалізований в програмі Stateflow.
відповідно до події m±1 виконує холості переходи між одним станом Out,
56
виконуючи при цьому виклик однієї з функцій на почергове підключення СП, ВУ
– подія ON, відключення – OFF або підключення однієї з СБ, ВУ в аварійному
режимі роботи – подія R4. Показ даних у вигляді вектора [m] дозволяє коректно
імітувати роботу мажоритарних елементів, що порівнюють значення паралельно
працюючих мікроконтролерів резервованої СУ.

Рис. 3.9. Програмне забезпечення моделі СУ: структура програмного
забезпечення ПО та діаграма стану програмного блоку УСБ1іУВ в Маtlаb.

Синтезована структура сонячної панелі
При аналізі структурної схеми регулювання напруги акумуляторної батареї
рис. 3.3 в Simulink, що входить до складу пакета Matlab, побудована структурна
схема сонячної панелі рис. 3.10.

Рис. 3.10. Структурна схема сонячної панелі в Simulink, що входить до складу
пакета Matlab.
57
Система енергозабезпечення автономного об'єкта складається із сонячної
панелі та вітрової установки. Гнучка сонячна панель розташована на даху
приміщення (рис. 3.10). При проведенні дослідження визначили оптимальну
напругу акумуляторної батареї та сонячної панелі, тип перетворювача напруги
при фіксованих параметрах навантаження.
Захист акумуляторної батареї (accumulator battery) від перенапруги, при
перетворенні (converter) напруги з 24 В в 220 В забезпечує блок захисту
(protection unit) акумуляторної батареї (рис. 3.10) розробленої на основі
математичної моделі.
Моделювання показує, що при позитивному енергобалансі напруги на АБ1 і
АБ2 перебувають у режимі 24/220В. Забезпечується повне функціонування
навантаження. При негативному енергобалансі функціонування навантаження
припиняється в момент досягнення припустимого значення напруги на АБ1 і АБ2.
При цьому СЕЗ переходить в аварійний режим роботи та заряджає акумулятори.
Результати моделювання дозволяють підсумувати, що імітаційна модель СЕЗ
побудована та функціонує відповідно до закладеної в неї логіки роботи.

3.3 Розробка моделі оптимального керування нормативною
температурою в автономному об'єкті

Оснащення житлових та виробничих будинків системами програмного
керування температурою дозволить скоротити витрати енергії на опалення за
рахунок зниження температури в періоди відсутності людей і витрат теплової
енергії до зміни температури навколишнього середовища [35].
При розробці систем керування температурою виникає ряд проблем, таких як
визначення часу, необхідного для досягнення температури заданих значень до
необхідного моменту, вибір алгоритму регулювання температури, визначення
числових параметрів обраного алгоритму [35].
Для того, щоб вибрати тип регулятора та його налаштування, необхідно
знати статичні та динамічні характеристики об'єкта керування, вимоги до якості
процесу регулювання та характер збуджень.
58
Регулятори з лінійним законом регулювання по математичній залежності між
вхідними та вихідними величинами підрозділяються на наступні види [35]:
- пропорційно-інтегральні (ПІ–регулятори);
- пропорційні (П–регулятори);
- пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД-регулятори).
Контур регулювання температури в приміщенні наведено на рис. 3.11.
Температура повітря підтримується нагрівальним устаткуванням, але
працюючим за рахунок енергії СБ. Температура вимірюється датчиком T, далі ця
величина надходить на порівнююче обладнання CY вимірюваного значення
температури TІ та заданого TЗ. Залежно від різниці між заданим і вимірюваним
значеннями температур регулятор P виробляє сигнал, що впливає на механізм M.

Рис. 3.11. Регулювання температури в приміщенні: ПО – порівняльне обладнання;
TЗ – задана температура; Tв – вимірюване значення температури; P – регулятор;
HУ – нагріваюча установка; T – датчик температури; M – виконавчий механізм.

Виконавчий механізм відкриває або закриває клапан до положення, при
якому помилка буде прагнути до нуля:

ε =TЗАД −Т ЗМ (3.7)

Узагальнена структурна схема САР представлена на рис. 3.12.

59

Рис. 3.12. Структурна схема САР: WР(р) – передатна функція регулятора;
WОР(р) – передатна функція об'єкта керування (регулювання); TД – датчик
температури; g(t) – задане значення температури; ε – помилка регулювання;
y – керована величина; θ – виміряне значення температури.

Коефіцієнт передачі від неузгодженості ε до виходу y визначається за
виразом:

W(jw)=WP(p)WOP(p) (3.8)

де WР(р) – коефіцієнт передачі регулятора; WОР(р) – коефіцієнт передачі
об'єкта регулювання.
Для моделювання, аналізу та синтезу об'єктів і автоматики, розглядається
завдання синтезу системи САР температури повітря в приміщенні автономного
об'єкта. Температура всередині приміщення не повинна перевищувати 27 °С.
Структурну схему САР наведено на рис. 3.12.
Одержимо теоретичним шляхом математичну модель приміщення як об'єкта
керування. Значення температури повітря в приміщенні θ залежить від
потужності нагрівального обладнання Р та температури зовнішнього повітря θН.
Одна частина теплової потужності (нагрівача) витрачається на підвищення
температури в приміщенні, а друга частина розсіюється назовні шляхом
теплопередачі через стіни:

P1 = c dθ
(3.9)
dt
P Sk
2 = (θ −θH ) (3.10)
l
60
де Р1 – теплова потужність нагрівача, кВт; Р2 – теплова потужність,
розсіюється назовні, кВт; с – теплоємність повітря в приміщенні, кДж/(кг·°С); S –
площа стін, м2; k – коефіцієнт теплопровідності стін, кВт/(м·°С); l – товщина
стіни, м.
Враховуючи, що сума цих потужностей дорівнює потужності установки що
нагрівається, отримаємо:

P c dθ Sk
= + (θ −θH ) (3.11)
dt l

Перетворюючи цю формулу таким чином, щоб всі члени, що містять вихідну
величину θ (температура), розташувалися в правій частині, а вхідні величини Р та
θН у лівій частині, отримаємо математичну модель розглянутого об'єкта
керування:
Sk P +θ cl dθ
H = +θ (3.12)
l Sk dt

де сl/Sk=Т, постійна часу, с; l/Sk=К – коефіцієнт перетворення, (°С/Вт),
підставивши ці перетворення отримаємо:

KP dθ
+θH =T +θ (3.13)
dt

Дане рівняння є лінійним диференціальним рівнянням 1-го порядку.
В системах автоматичного регулювання виникає необхідність у регуляторі,
який пропорційний швидкості відхилення регульованої величини від заданого
значення. Тому наші дослідження проводилися з використанням ПІД-
регулювання. Диференціальна складова має вигляд:

µ Т dε
Д = Д (3.14)
dt

ПІД-регулятори впливають на об'єкт керування пропорційно відхиленню
регульованої величини, швидкості зміни регульованої величини:
61
t
µ Д = k 1 dε
Pε + ∫εdt +Т Д (3.15)
TI 0 dt
де ТД – диференційована постійна часу; ТІ – інтегрована постійна часу.
По можливостях ПІД-регулятори є універсальними. Структурну схему
закону регулювання ідеального ПІД–регулятора наведено на рис. 3.13-3.14.

Рис. 3.13. Структурна схема регулювання ідеального ПІД–регулятора

Рис. 3.14. Закон регулювання ПІД–регулятора.

При стрибкоподібній зміні регульованої величини ПІД–регулятор виявляє
миттєвий вплив на об'єкт регулювання. Потім величина впливу падає до значення,
обумовленого пропорційною складовою, після чого починає впливати інтегральна
складова регулятора.
Перехідний процес в ПІД–регуляторах має мінімальні відхилення по
амплітуді та за часом у порівнянні з П- та ПІ-регуляторами (тобто найбільш
висока швидкодія).
Параметрами налаштування ПІД-регулятора є коефіцієнт пропорційності
регулятора kР, постійна часу диференціювання ТД, постійна часу інтегрування ТI.
62
Наявність шумів в каналі вимірювання в системі з ПІД–регулятором
приводить до значних коливань керуючого сигналу регулятора, що збільшує
помилки регулювання та зношування виконавчого механізму.
Слід мати на увазі, що при неточному введенні параметрів настроювання
ПІД–регулятор може погіршити показники при порівнянні з іншими
регуляторами та навіть перейти в режим автоколивань.
ПІД-закон має вигляд:


µ k 1 n ∆ε
= і 
 pε i + ∑ε i∆tвим +Т Д  ⋅100% (3.16)
 TI i=1 ∆tвим 

Значення параметрів настроювання регулятора наведено в табл. 3.1.
Таблиця 3.1
Значення параметрів регулятора
Тип Постійна Постійна Зона Коефіцієнт
регулятора часу часу
диференціювання інтегрування пропорційності передачі
П-регулятор 2PMS 0,5kps
ПІ-регулятор 0,83T 2,2PMS 0,45kps
ПІД–регулятор 0,125T 0,5T 1,67PMS 0,6kps

Висновки до третього розділу

1. Наведено можливість використання низьковольтної системи живлення
для освітлення автономного об'єкта та для заряджання АБ, без втрат енергії при
перетворенні 24 В постійного струму в 220 В змінного струму.
2. Встановлено, що при позитивному енергобалансі напруги на АБ1 та АБ2
перебувають в заданому режимі 24/220В. При цьому забезпечується повне
функціонування навантаження. При негативному енергобалансі функціонування
навантаження припиняється в момент досягнення припустимого значення
напруги на АБ1 і АБ2, при цьому СЕП переходить в аварійний режим роботи та
заряджає акумулятори.
63
3. Імітаційна модель СЕП побудована та функціонує відповідно до
закладеної в неї логіки роботи. За допомогою цієї моделі можна імітувати різні
режими роботи СЕП.
4. В програмі Simulink і SimPowerSystems, що входить до складу пакета
MATLAB розроблена імітаційна модель керування контролером
енергозабезпечення автономного об'єкта з елементами Smart технології. Дана
модель дозволяє реально відображати принцип роботи сонячної панелі та вітрової
установки.
5. Розроблена модель керування температури в автономному об'єкті.
6. Представлені моделі лягли в основу при проєктуванні Smart технології
контролю та керування системами енергозабезпечення автономного об'єкта.

64

РОЗДІЛ 4. ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ
РОЗРОБОК, РЕКОМЕНДАЦІЙ ТА
ПРОПОЗИЦІЇ ПО ВПРОВАДЖЕННЮ

МКР 23.144.44 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Співак Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько РОЗДІЛ 4. ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ
РОЗРОБОК, РЕКОМЕНДАЦІЙ ТА
ПРОПОЗИЦІЇ ПО ВПРОВАДЖЕННЮ
Н. Контр. ЧДТУ, мТЕ-88
Затверд. Калейніков
65
4.1 Практичне застосування низьковольтної системи освітлення на
автономному об'єкті

В роботі було розроблено низьковольтну систему освітлення, структурну
схема якої наведено на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема підключення світлодіодного освітлювача без застосування
перетворювачів.

В даній схемі було використано гнучку сонячну батарею розміром 0,5×8м,
потужністю 400 Вт, виробництва США. Дана сонячна батарея має високі світло-
технічні характеристики, при відсутності прямих сонячних променів і не великій
хмарності потужність падає на 30 %. Зовнішній вигляд наведено на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Зовнішній вигляд сонячної панелі.

У якості освітлювальних установок використовуються світлодіодні лампи
марки Ecolight (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зовнішній вигляд світлодіодної лампи.
66
Сонячна панель підключена через стабілізатор. Для стабілізації постійного
струму використовувався драйвер власного виготовлення на основі мікросхеми
РТ4115, його типова схема наведена на рис. 4.4, а фото виготовленого зразка на
рис. 4.5.

Рис. 4.4. Схема стабілізації струму.

Рис. 4.5. Виготовлений стабілізатор струму.

При проведеному дослідженні виявлено, що при використанні в системі
освітлення світлодіодного приладу іде подвійне перетворення напруги. Постійний
струм з напругою 24 В перетвориться в змінний струм 220 В та живить систему
енергозабезпечення автономного об'єкта. В світлодіодному приладі вже
вбудовано перетворювач (випрямляч), який перетворить змінний струм з
напругою 220 В в постійний з напругою 24 В та подає світлодіоду. При
перетворенні втрачається близько 80 % енергії. Тому в даній роботі пропонується
в системі світлодіодного освітлення використовувати постійний струм з напругою
24 В (низьковольтна напруга).
На рис. 4.4 наведено схема системи низьковольтного освітлення підключена
на основі світлодіодів без перетворювачів напруги. Дана схема актуальна тим, що
67
напруга енергії, вироблена із сонячної панелі дозволяє використовувати
світлодіоди високої потужності без перетворення енергії, що у свою чергу
підвищує ККД системи.
Для накопичення енергії та забезпечення стійкої роботи схеми додатково
додається акумулятор та контролер, що забезпечує оптимальний заряд енергії та
необхідну напругу для роботи низьковольтної системи освітлення (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема низьковольтної системи освітлення з використанням
накопичувача енергії.

Постійний струм надходить із сонячної панелі рис. 4.6 в контролер. Він
забезпечує безперебійну подачу електричної енергії на низьковольтну систему
освітлення. Одночасно здійснюється заряд акумулятора.
Схема, представлена на рис. 4.6, була реалізована для автономного живлення
освітленням будинку. В даній схемі контролер заряду наведено на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Контролер заряду акумулятора.

Для випробування працездатності системи були проведені випробування
низьковольтної системи освітлення з використанням накопичувача енергії за
схемою (рис. 4.7).
68
Випробування даної системи показало повну її працездатність. Система
працювала автономно на протязі семи днів. При цьому витрати енергії на
освітлення склали всього 10 % від виробленої сонячної панелі енергії.

4.2 Дослідження роботи системи енергозабезпечення від сонячної панелі
в пакеті Маtlаb

Після проведення експериментальних даних по низьковольтній системі
освітлення необхідно регулювати напругу акумуляторної батареї та сонячної
панелі.
По розроблених математичних моделях була зібрана схема заряду
акумуляторної батареї від сонячної панелі в програмному забезпеченні Simulink
та Simpowersystems візуального моделювання що входить в пакет МаtLаb. Дану
схему наведено на рис. 4.8. Нижче наводиться амплітудне регулювання
перетворювача напруги від 12 В в 220 В.
Напруга сонячної панелі та АБ обрана між 12 і 220 В та перетворювалася в
220 В змінного струму з частотою 50 Гц.

Рис. 4.8. Схема моделювання сонячної панелі в програмі МаtLаb.

По наведеному методу розрахунків сонячної панелі складена модель в пакеті
МаtLаb, яка складається із джерела струму PV1 приєднаного до акумуляторної
батареї через розділюючий діод VD. В ланцюг акумуляторної батареї
підключений контролер VM1, GainRelay, для попередження перезаряду АБ. Коли
акумулятор заряджається від сонячної панелі до заданої напруги, схема
69
попередження перезаряду паралельно сонячній панелі підключає
навантажувальний транзистор VT, щоб поглинати надлишкову потужність
сонячної панелі. Акумуляторна батарея захищена від перезарядження релейним
регулятором, який складається з датчика опорної напруги Constant, обладнання
порівняння напруги Battery з Constant – sumblock, регулятора Gain, релейного
блоку Relay, який керує VT. При досягненні напруги заряду на акумуляторній
батареї 14 В, сонячна панель комутується ключем VT.
У низьковольтній схемі при напрузі 10-24 В використовується силовий
трансформатор TV для підвищення напруги до 220 В Uн, коефіцієнт
трансформації складає 22÷16. При моделюванні застосовувався перетворювач
прямокутної форми з напругою 50 Гц за принципом широтно-імпульсного
регулювання.
Синусоїдальна форма напруги забезпечується паралельним резонансним LC
контуром, підключеним до перетворювача через трансформатор TV.
Індуктивність згладжує спожитий струм інвертора, індуктивність активно-
індуктивного навантаження з кутом 0,8 та паралельно включений трансформатор
з конденсатором утворює паралельний резонансний контур. Навантаження
підключене до конденсатора С2 має синусоїдальну форму напруги КГ≤10 %, при
виборі напруги АБ 220 В трансформатор TV відключений.
При моделюванні використовувався класичний алгоритм регулювання
вихідної напруги (рис. 4.9).
Амплітуда напруги симетрична трикутній формі UР=2В з опорною напругою
UОР=3,5 В. На рис. 4.10 наведено залежність UН від UАБ в режимі регулювання та
без регулювання.
На рис. 4.11 наведено характеристики перетворювача з регулюванням
суцільною лінією, а без регулятора пунктирною лінією.

70

Рис. 4.9. Алгоритм керування напругою навантаження: а) порівняння опорної
напруги з трикутною формою, б) сигнали після порівняння з трикутною формою;
в) сигнали, що надходять на транзистор 1, 4; г) сигнали що надходять на
транзистор 2, 3.

Рис. 4.10. Характеристики перетворювача.

На рис. 4.11 наведено регулювальну характеристику напруги 220 В та
коефіцієнта гармоніки КГ залежно від напруги акумуляторної батареї від 10 до
14 В.

Рис. 4.11. Характеристики регулювання.
71
У табл. 4.1 наведені характеристики навантаження та вимірювального
органу.
Таблиця 4.1
Значення навантаження та вимірювального обладнання
Конденсатор С2 150 мкФ
Опір R2 19,36 Ом
Індуктивність L2 46 мГн
Опір R3 26 кОм
Опір R4 0,45 кОм
Конденсатор С1 100 мкФ
Опір R5 10 кОм

На рис. 4.12 наведено навантажувальну характеристику перетворювача при
постійній напрузі акумуляторної батареї 10 В, яка знята при зміні навантаження
від номінального до холостого ходу.

Рис. 4.12. Навантажувальна характеристика перетворювача.

На наступному рис. 4.13. наведено зовнішню характеристику перетворювача,
яка знята без регулювання при напрузі 14В.

Рис. 4.13. Зовнішня характеристика перетворювача без регулювання.
72
Для забезпечення стабільності в режимі класичного амплітудного
регулювання визначаємо значення опорної напруги та амплітуду розгортаючої
напруги (табл. 4.2, рис. 4.14).
Таблиця 4.2
Результати параметрів між опорним та тим що задає напругу генераторами
UАБ, В 14
UОР+UР 5
UОР, мВ 1,5 2,5 3,5 4,5
UР, В 4 3 2 1
UН, В 200 217 235 266
KГ, % 14,7 12,8 10 7,4

За критерієм гармоніки прийнятним є KГ=10 %: співвідношення UН=235 В,
UОР=3,5 мВ і UР=2В.

Рис. 4.14. Параметри перетворювача.

Результати моделювання керування сонячної панелі з використанням
амплітудного регулювання вихідної напруги при вхідній напрузі АБ 14 В
наведено на рис. 4.15.
Дослідження показало, що моделювання керування сонячною панеллю з
використанням класичного амплітудного регулювання вихідної напруги
забезпечує необхідну точність рівня напруги навантаження 220 В з коефіцієнтом
гармоніки KГ≤10%. Даний спосіб регулювання застосовується для
низьковольтного світлодіодного освітлення з напругою 24 В.

73

Рис. 4.15. Результати моделювання сонячної панелі: а) вихідна напруга
перетворювача; б) струм, що протікає через навантаження; в) струм джерела
живлення

4.3 Практична реалізація моделі кількісної оцінки помилки контролю
параметрами мікроклімату на автономному об'єкті

Після регулювання напруги сонячної панелі та акумуляторної батареї,
необхідно регулювати температуру в приміщенні, контролювати параметри
мікроклімату в автономному об'єкті.
В процесі контролю виникають помилки, які значною мірою залежать від
похибки вимірювання. Розрізняють три типи похибок: систематичні, випадкові та
грубі, що можна назвати промахами.
Систематичні похибки залишаються постійними або змінюються за певними
правилами, вони можуть бути вивчені, а в результаті вимірювань вводиться
виправлення. Випадкові похибки не можна виключити з результатів вимірювань
введенням виправлень. Однак, шляхом проведення ряду повторних вимірювань,
використовуючи математичну статистику, можна уточнити результати
вимірювань.
Контрольовані параметри Х, згідно з встановленими вимогами, не повинні
виходити за деякі припустимі нормативи (межі, допуски). Обмеження в
загальному випадку можуть бути двосторонні, наприклад, обмеження по
швидкості:
74
Хн<Х>Хв (4.1)

де Хн - нижній норматив Х; Хв - верхній норматив Х.
Випадок двостороннього обмеження називається допустимим, але бувають і
досить часто випадки однобічного обмеження, які можна вважати окремими
випадками умови (4.1), якщо припустити Хв або Хн рівними нулю, як це є на
практиці зі швидкістю руху автомобіля (обмежується зверху).
Допустимий контроль представляє собою експериментальну перевірку
співвідношення (4.1), на основі вимірювання певного індикатору контрольованого
процесу. В багатьох випадках використовується статистичний або вибірковий
контроль, коли висновок про допустимість (якості, придатності або непридатності
об'єкта) (виробу, процесу) робиться не окремо для кожного виробу або послуги, а
по певній вибірці однотипних виробів (послуг, випробувань). Статистичні методи
використовуються в тих випадках, коли економічно недоцільно вимірювати
значення показників для кожного досліджуваного об'єкта. Доцільність
вибіркового контролю повинна бути досить обґрунтована.
Обов'язковою процедурою контролю є вимірювання. Термін і процедура
«вимірювання» на даний момент може використовуватися для будь-якого об'єкта
(параметра, процесу, події) незалежно від його природи. Під засобами
вимірювання будемо розуміти фізичні прилади, прилади та методику
вимірювання, методику та ресурси виявлення даних по документах (пасивний
експеримент), суб'єкт та використані для вимірювання ресурси. Результатом
вимірювання завжди є число (або сукупність чисел), що дає кількісну оцінку
вимірюваній величині в певних, заздалегідь обраних, одиницях. Безліч
результатів вимірювання - це безліч чисел з деякого інтервалу можливих значень.
Контроль - це послідовність процедур вимірювання, порівняння вимірюваного
значення з нормативами й прийняття рішення за принципом - «контрольований
об'єкт в нормі», «контрольований об'єкт не в нормі». Остаточне рішення
«придатний-непридатний» приймається людиною.
В реальній ситуації не завжди представляється можливим вимірювати дійсні
технічні, фізіологічні або соціально-економічні параметри контрольованого
75
об'єкта, і тоді використовують певну сукупність індикаторів, які побічно
дозволяють оцінювати стан об’єкта, що цікавить дослідника. Ці показники
називаються «діагностичними параметрами», які надалі будемо позначати
символом S. Діагностування на даний момент набуває досить великого поняття та
значення. Одним з найважливіших завдань діагностики, яке повинно бути
виконано в першу чергу - обґрунтування оптимальної сукупності діагностичних
параметрів, що адекватно відображають стан об'єкта діагностування.
Адекватність - це відповідність одного об'єкта іншому або як формулюється -
«відповідність реальній системі відносно обраної безлічі властивостей».
Рішення про те, чи задовольняють параметри контрольованого об'єкта умову
(1.4), приймаються за результатами вимірювання. Вимірювальним приладом
можуть бути фізичні прилади, наприклад, температура, вологість, або інтегральне
багатопараметричне оцінювання. Оскільки результати вимірювання завжди
ускладнені випадковими похибками, це незмінно приводить до помилок
контролю та прийняття рішень, які можуть бути двох видів:
1. Помилкове визнання «нормального» об'єкта - «ненормальним» (технічно
справного об'єкта - несправним).
2. Визнання «ненормального» об'єкта - «нормальним».
Помилки першого виду приводять до прямих втрат часу чи інших ресурсів.
Помилки другого виду збільшують ризик, що може привести до небажаних
наслідків.
Обидва типи помилок є помилками контролю і, якщо абстрагуватися від
систематичної складової, їх слід розглядати, як випадкові події, тому в процесі їх
аналізу будуть використовуватися ймовірносно-статистичні методи.
У якості інтегрованої оцінки якості прийняття рішення буде використана
вірогідність. Вірогідність обчислюють за формулою:

D=1-[сума ризиків (ймовірностей помилкових рішень)] (4.2)

Індикатори (діагностичні параметри) контрольованих процесів по своїй
природі є випадковими величинами. Система вимірювання цих показників:
76
методика вимірювання та інструменти контролю, оператора та його суб'єктивні
якості і т.п., які задіяні в контурі прийняття рішень, мають похибку. Тому,
результат контролю - величина випадкова, і як було встановлено в ряді
досліджень [42], залежить від цілого ряду факторів, таких як, статистичні закони
розподілу контрольованого параметра, статистичні закони розподілу похибки
вимірювача (приладу або оператора), величини нормативних значень. В реальних
умовах точне значення нормативів визначити неможливо, що дає підставу
вважати нормативи величиною випадковою та виникає завдання оцінки ризиків з
врахуванням і цієї гіпотези. Таким чином, виникає завдання оцінки та
прогнозування якості контролю та прийняття рішення, як функції всіх
перерахованих вище факторів і параметрів. Показником якості контролю, як було
зазначено вище, може бути обрана метрологічна характеристика - вірогідність D і
елементи вірогідності - ризики. Завдання оцінки вірогідності D і ризиків,
передбачається вирішити шляхом розробки ймовірнісної моделі та проведення
комп'ютерного експерименту з метою одержання розрахункових оцінок і
прогнозів.
Розглянемо формальну сторону моделювання.
Першим кроком моделювання є процес контролю, що зазнає декомпозиції до
рівня простих випадкових подій-процедур. В результаті декомпозиції реального
процесу контролю виявлені наступні події:
1. Вимірювання поточного значення контрольованого параметра;
2. Порівняння вимірюваного значення з нормативом;
3. Прийняття рішення про стан контрольованого об'єкта;
4. Якщо значення контрольованого параметра перевищило нормативи, то
приймається рішення корекції процесу.
В результаті досліджень встановлено, що швидкість руху повітря в
приміщенні не повинна перевищувати 0,6 м/с, а інтенсивність теплового
випромінення 1200 Вт/м2. В результаті отримані тривимірні регресійні моделі, що
мають наступний вигляд:

Z=0,041+1,375·X - 0,061·Y- 0,007·Х2 - 0,005·Х·Y + 0,001·Y2 (4.3)
77
де Z - температура повітря в приміщенні; Х - вологість середовища; Y -
відчутна температура тіла.
Дана модель дозволяє по існуючій вологості повітря (VLAZ), яка вважається
нерегульованою величиною, та бажаній температурі тіла (TELO), вона задається в
автоматизованій системі людиною, розрахувати необхідну температуру повітря в
приміщенні, яка встановлюється та регулюється на кондиціонері.
На рис. 4.16 демонструється тривимірна інтерпретація поверхні керування
температурою повітря в приміщенні («сухий» термометр).

Рис. 4.16. Тривимірна інтерпретація поверхні керування температурою повітря в
приміщенні.

Для випадку розрахунку - коли буде відчутна температура тіла при заданій
вологості та «сухій» температурі повітря в приміщенні, була розроблена наступна
регресійна двофакторна модель:

Z=10,58 + 0,04·X – 0,197·Y + 0,014·Х2 + 0,014·Х·Y- 8,167·Y2 (4.4)

де Z - необхідна температура повітря (TWOZ); Х - вологість середовища
(VLAZ); Y – температура тіла, що відчувається (TELO).
Тривимірні графічні моделі (рис. 4.17) дозволяють візуально оцінювати
ступінь впливу на регульований показник контрольованих параметрів атмосфери
в замкненому приміщенні.
78

Рис. 4.17. Тривимірна графічна модель розрахункового значення температури тіла
(Z-TELO), при заданій температурі повітря в приміщенні (Y-TWOZ) і виміряного
значення вологості повітря (X-VLAZ)

Оцінка якості моделювання була реалізована за критерієм Фішера. За
розрахунковими значенням F–критеріїв було встановлено, що з ймовірністю 0,95
гіпотеза про адекватність регресійних моделей показаних на рис. 4.16-4.17 не
відкидається [42].
В результаті отриманих даних вимірювання температури було реалізовано за
допомогою Raspberry Pi та Arduino. Для організації на реалізації експерименту
було обрано Raspberry Pi та Arduino. В Arduino використовується мікроконтролер,
а в Raspberry Pi – процесор.
Використаний модуль для одержання інформації про навколишню
температуру та вологість включає в себе датчик DHT11 та інші необхідні
компоненти на невеликій друкованій платі. Датчик DHT11 містить в собі
компонент вимірювання вологості резистивного типу, в NTC компонент
вимірювання температури та високої продуктивності 8-розрядний мікроконтролер
всередині, і забезпечує калібрований вихід цифрового сигналу. Він має високу
надійність та високу довгочасну стабільність, завдяки ексклюзивній цифровій
техніці накопичення сигналу (рис. 4.18).
79

Рис. 4.18. Модуль - DHT11.

Модуль DHT11 підключений до контролера на основі Atmega328Arduino
Uno. Сигнальний вихід модуля DHT11 підключений до другого дискретного
входу плати Arduino, як наведено на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Підключення DHT 11 до Arduino UNO.

Після того як датчик став передавати показання на Arduino, треба було
передавати їх на RaspberryРi. Підключення здійснювалося за допомогою
інтерфейсу I2C. З Raspberry Pi та комунікатором I2C можливо з'єднати Pi з одним
або декількома платами Arduino.
Raspberry Pi працює з напругою 3,3В в той час як Arduino працює з 5 В.
Однак, використовувати перетворювач для комунікатора I2C не потрібно, якщо
Raspberry Pi працює як «майстер», а Arduino – як додаткове обладнання.
Наступний крок це настроювання Raspberry Pi як основного обладнання, так
як - Arduino додаткове, після необхідно настроїти I2C майстер – Raspberry.
80
Дана програма написана для тестування в Python. Це те, що вона робить:
Raspberry Pi попросить вас ввести цифру та посилає її на Arduino, Arduino
визначає отримані дані та відсилає їх назад.
Далі Arduino UNO був підключений до RaspberryPi (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Підключення Arduino до RaspberryPi.

Розміщення входів і виходів GRIO зображено на рис. 4.20.

Рис. 4.21. Розміщення входів і виходів GRIO на RaspberryРi.

Макет експериментального керуючого пристрою температури наведено на
рис. 4.22.

81

Рис. 4.22. Керуючий пристрій температури.

При перезавантаженні мікрокомп'ютера RaspberryPi включається схема
підключення ІЧ приймача та передавача (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Схема підключення приймача та передавача ІЧ сигналів

На схемі умовні позначки відповідають наступним значенням:
1) R1 - 1 кОм (резистор, обмежує струм бази до 2,5 мА, максимальний струм,
який може витримати GPIO та не згоріти – 16 мА);
2) R2 - 33 Ом (резистор, обмежує струм на світлодіоді до 50 мА, дальність
більше 5 метрів);
3) Q1 - BC547 (транзистор для посилення сигналу);
4) D1 - IR LED з пульта 36-38 Кгц (ІЧ передавач);
5) IR - TSOP1738 (ІЧ приймач).
82
Надалі підключення та автоматизована система керування
енергозабезпеченням нашого обладнання дозволила контролювати температурні
характеристики автономного об'єкта.

Висновки до четвертого розділу

1. Створена експериментальна низьковольтна освітлювальна система з
підвищеним ККД роботи та інтегрована з сонячною панеллю;
2. Проведено дослідження роботи низьковольтної освітлювальної системи.
Отримано ККД роботи низьковольтної системи освітлення близьке до
теоретичного. Експериментальний ККД склав 70 %.
3. Розроблена автоматизована схема систем енергозабезпечення автономного
об'єкту з використанням Smart технології.
4. Зроблений макет пристрою, що керує температурою.

83

РОЗДІЛ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ
ТА БЕЗПЕКА В НС

МКР 23.144.44 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Співак Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Цікановський РОЗДІЛ 5.
Реценз. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА
Н. Контр. БЕЗПЕКА В НС
ЧДТУ, мТЕ-88
Затверд. Калейніков
84
5.1. Вимоги до експлуатації, зручності технічного обслуговування й
ремонту

Сонячна енергетика – це напрямок альтернативної енергетики, яку засновано
на безпосередньому застосуванні сонячного випромінювання з метою одержання
енергії. Сонячна енергетика застосовує поновлювані джерела енергії, вона є
«екологічно чистою», що не робить відходів у процесі використання.
Виробництво енергії за допомогою сонячних електростанцій відмінно
сполучається з концепцією виробництва, що розподіляється, енергії.
При цьому енергетика – це одне з вогнищ несприятливого впливу на людину
й навколишнє середовище. Вона впливає на атмосферу (викиди газів, споживання
кисню, вологи, твердих часток), гідросферу (створення штучних водоймищ,
споживання води, скидання нагрітих і рідких відходів, забруднених вод), на
літосферу (зміна ландшафту, споживання викопних палив, викиди токсичних
речовин). У процесі виробництва фотоелементів обсяг забруднень не перевищує
припустимий рівень для виробничих підприємств мікроелектронної
промисловості. Фотоелементи мають заданий термін служби, який становить 30-
50 років. Використання кадмію, при виробництві деяких видів фотоелементів з
метою підвищення ефективності перетворення, утворює складне питання їх
знешкодження й утилізації, який не має прийнятного розв'язку з екологічної точки
зору, хоча такі елементи поширені незначно, і при сучасному виробництві
з'єднанням кадмію вже знайдена гідна альтернатива.
Періодичне технічне обслуговування розроблюваного СЕС повинно
проводитися не рідше одного разу в рік та містити в собі обслуговування всіх
складових частин ЕП.
До обслуговування ЕП повинні допускатися особи, що мають кваліфікаційну
групу по техніці безпеки не нижче третьої, що мають допуск до роботи з
електроустановками напругою до 1000 В.
Відновлення працездатності ЕП повинно здійснюватися шляхом заміни
блоків, які відмовили, справними. Ремонт блоків, які відмовили, повинен
проводитися тільки підприємством-виготовлювачем. Обслуговування й ремонт
85
ЕП повинні проводитися без застосування спеціальних інструментів.
Зовнішні рознімання на корпусах складових частин електропривода (ЕП),
таких як, ММ і БК ЕП будуть постачені написами, що пояснюють,
розташованими на зовнішніх поверхнях і мати різні типи й/або розміри для
виключення неправильного підключення.
Конструкція ЕП буде виконана в блоковому виконанні, щоб ремонт або
заміна одних блоків не викликав необхідності настроювання або регулювання
інших блоків.

5.2. Вимоги до електробезпеки

Відповідно до ГОСТ 12.0.003-2015 основними небезпечними й шкідливими
виробничими факторами є:
- влучення людини під дію електричного струму, визване різницею
електричних потенціалів, включаючи також дію блискавок і дугових розрядів;
- шкода, нанесена людині, пов'язана з електромагнітними полями, наявність
електростатичного поля, що відрізняє від поля землі, утворення
електростатичних зарядів, наявність постійного магнітного поля, що
відрізняється від геомагнітного поля Землі наявністю електромагнітного поля
змінного характеру.
Відповідно до ГОСТ 12.1.019-2009 електроустановки і їх частини повинні
бути виконані таким чином, щоб людина не зазнала небезпечних і шкідливих
впливів електричного струму й електромагнітних полів та відповідала вимогам
електробезпеки.
Електробезпека повинна забезпечуватися:
- конструкцією електроустановок;
- технічними способами й засобами захисту;
- організаційними й технічними заходами.
Для забезпечення захисту від випадкового дотику до струмоведучих
частин необхідно застосовувати наступні способи й засоби:
- захисні оболонки;
86
- захисні огородження (тимчасові або стаціонарні);
- безпечне розташування струмоведучих частин;
- ізоляцію струмоведучих частин (робочу, додаткову, посилену, подвійну);
- ізоляцію робочого місця;
- мала напруга;
- захисне відключення;
- попереджувальну сигналізацію, блокування, знаки безпеки.
Для забезпечення безпеки робіт в електроустановках слід виконувати:
- відключення установки (частини установки) від джерела живлення;
- перевірка відсутності напруги;
- механічне запирання приводів комутаційних апаратів,
- зняття запобіжників, від'єднання кінців живильних ліній і інші заходи, що
виключають можливість помилкової подачі напруги до місця роботи;
- заземлення відключених струмоведучих частин (накладення переносних
заземлювачів, включення заземлюючих ножів);
- огородження робочого місця або струмоведучих частин, що залишаються
під напругою, до яких у процесі роботи можна доторкнутися або наблизитися на
неприпустиму відстань.
Заземлення є одним з важливих заходів безпеки, тому елементами для
заземлення повинні бути обладнані наступні металеві неструмоведучі частини
виробів, що підлягають заземленню:
- оболонки, корпуси, шафи;
- каркаси, рами, обойми, стійки, шасі, підстави, панелі, плити й інші частини
виробів, які можуть виявитися під напругою при ушкодженні ізоляції.
Допускається при цьому виконувати без елемента заземлення й не
заземлювати наступні вироби:
- призначені для установки в недоступних, без застосування спеціальних
засобів, місцях (у тому числі - всередині інших виробів);
- призначені для установки тільки на заземлених металевих конструкціях,
якщо при цьому забезпечується стабільної електричний контакт дотичних
поверхонь.
87
Згідно ПУЕ існують заходу захисту від прямого дотику. Основна ізоляція
струмоведучих частин повинна покривати струмоведучі частини й витримувати
всі можливі впливи, яким вона може зазнати в процесі її експлуатації. Видалення
ізоляції повинне бути можливо тільки шляхом її руйнування. Лакофарбові
покриття не є ізоляцією, що захищає від поразки електричним струмом, за
винятком випадків, спеціально застережених технічними умовами на конкретні
вироби. У випадках, коли основна ізоляція забезпечується повітряним
проміжком, захист від прямого дотику до струмоведучих частин або наближення
до них на небезпечну відстань, у тому числі в електроустановках напругою вище
1 кВ, повинна бути виконана за допомогою оболонок, огороджень, бар'єрів або
розміщенням поза зоною досяжності.
Огородження й оболонки в електроустановках напругою до 1 кВ повинні
мати ступінь захисту не менш IP 2X, за винятком випадків, коли більші зазори
необхідні для нормальної роботи електроустаткування. Огородження й оболонки
повинні бути надійно закріплені й мати достатню механічну міцність.
Вхід за огородження або розкриття оболонки повинні бути можливі тільки за
допомогою спеціального ключа або інструмента або після зняття напруги зі
струмоведучих частин. При неможливості дотримання цих умов повинні бути
встановлені проміжні огородження зі ступенем захисту не менш IP 2Х, видалення
яких також повинно бути можливо тільки за допомогою спеціального ключа або
інструмента.

5.3. Вимоги до зовнішніх факторів

Для забезпечення виконання технічних вимог - кліматичного виконання В
категорії 1 за ДСТ 15150-69, усі складові частини електропривода повинні бути
виконані з таким же виконанням, а компоненти складових частин повинні мати
відповідні діапазони робочих температур.
Відповідно ГОСТ 9.102-91 “Єдина система захисту від корозії й старіння.
Вплив біологічних факторів на технічні об'єкти. Терміни й визначення
біологічний фактор – організми або співтовариства організмів, що викликає
88
порушення справного або працездатного стану об'єкта. Цей фактор викликає
механічне, хімічне й біологічне засмічення. Так само необхідно провести захід
щодо захисту від корозії.
Створювані конструкції повинні забезпечувати необхідну несучу здатність і
технічний ресурс усіх елементів, призначених для сприйняття експлуатаційних
навантажень, протягом призначеного терміну служби.
Конструкція СЕС може мати більші рушійні частини залежно від розмірів
панелі. Руйнування, деформація або неправильне робота системи орієнтації може
привести до аварійної ситуації. Тому відповідно ГОСТ 31846-2012 при
проектуванні УПС і його вузлів повинні бути забезпечені ходові якості, що
забезпечують безпеку руху в заданих умовах експлуатації й комфортні умови для
персоналу. Для забезпечення захисту оболонкою відповідно до ТВ для
мехатронних модулів нерухливі сполучення повинні ущільнюватися кільцями
гумовими ущільнювальними за ДСТ 9833-73, а рухливі сполучення манжетами
ГОСТ 8752-79.

5.4. Вимоги безпеки

Складові частини електропривода по вимогах захисту людину від поразок
електричним струмом будуть ставитися до класу 1 і будуть виконані відповідно
ГОСТ 12.2.007-0-75.
Приймання й рекомендації з безпечної роботи при монтажі, налагодженні,
обслуговуванні й ремонті описані в посібнику з експлуатації ЕП, і відповідати
загальним вимогам безпеки за ДСТ 12.2.003-74 і ГОСТ 12.3.002-75.
Вимоги безпеки при монтажі, налагодженні, експлуатації, обслуговуванні й
ремонті будуть наведені в експлуатаційній документації.
Будуть передбачені заходи щодо запобігання можливості створення
небезпечних ситуацій і аварій при випадкових спробах неправильного
підключення електричних кабелів і помилкових діях операторів.
Буде забезпечений захист від самозаймання ЕП при механічних
ушкодженнях і порушеннях в елементах електричної схеми.
89
У конструкції ЕП буде передбачений болт для заземлення пристрою.

5.5. Заходи, спрямовані на захист від ураження електричним струмом

Розглянута СЕС відносно заходів електробезпеки є електроустановкою до
1000 В і основним заходом, що знижує ймовірність появи потенціалу на корпусі
електроустаткування, є організація заземлення.
Заземлення - навмисне з'єднання струмопровідних частин електроустановок,
що не перебувають під напругою, але які можуть випадково виявилися під таким
у мережах постійного й змінного струму. У випадку появи небезпечного
потенціалу на корпусі електроустаткування, з'єднаного за допомогою захисного
провідника виникає коротке замикання, яке викличе спрацьовування захисного
пристрою. У випадку електропривода СЕС цими захисними пристроями є
автоматичні вимикачі. Згідно з вимогами Міжнародної Електротехнічної Комісії,
автоматичні вимикачі діляться на В, С, D (залежно від характеристики струму).
Тип B – величина струму спрацьовування електромагнітного розчіплювача
кратності k=3–6. Для побутового застосування, де струм навантаження невисоке й
струм короткого замикання може потрапити в зону роботи теплового, а не
електромагнітного розчіплювача.
k = I/Iн – кратність струму до номінального значення.
Тип C – величина струму спрацьовування електромагнітного розчіплювача
кратності k=5–10. Використовується для промислового застосування: для двигунів
згодом пуску до 1 з, навантажень із малими індуктивними струмами (холодильних
машин і кондиціонерів).
Тип D – величина струму спрацьовування електромагнітного розчіплювача
кратності k>10. Використовується для потужних двигунів з більшим часом пуску.
В електричній схемі СЕС переріз захисного провідника не менше перетину
фазних провідників, у якості матеріалу провідника в обох випадках
використовується мідь. У такий спосіб в розглянутій установці залежно від
різного виконання потрібно передбачити захист від струму короткого замикання
наступні елементи:
90
- блок живлення ланцюгу керування;
- програмний логічний контролер;
- перетворювачі частоти при застосуванні двигунів змінного струму,
керуючий двигунами азимутальної й кутомісткої вісі СЕС;
- двигуни приводів азимутального й кутомісткого переміщення;
- електрична шафа й дверцята до нього;
- конструкція СЕС.
Все інше устаткування живиться від мережі постійного струму напругою 24
У них не має спеціальних виводів на корпусі, а якщо має, то для захисту від
електромагнітних впливів. Для захисту від прямого дотику до струмоведучих
частин ці частини максимально недоступні для прямого дотику.

5.6. Заходи, спрямовані на захист від одержання механічних та інших
травм, можливих при експлуатації СЕС

При експлуатації електропривода СЕС, крім небезпеки поразки електричним
струмом існують інші фактори, що загрожують здоров'ю людини:
- рухомі частини устаткування;
- частини устаткування, що нагріваються до високих температур;
- небезпечні й шкідливі матеріали, використані в конструкції устаткування, а
також небезпечні й шкідливі речовини, що виділяються при його експлуатації;
- шуми й ультразвук;
- вібрації;
- електромагнітні поля, теплові, оптичні й рентгенівські випромінювання;
- можливість виникнення пожеж.
Під час роботи СЕС може відбуватися рух по 2 напрямним одночасно. Тому
з погляду безпеки необхідно встановити огородження й тим самим обмежити
доступ до установки. Забезпечити доступ тільки спеціалізованому персоналу.
При різному виконання системи орієнтації СЕС можуть бути використані
двигуни змінного струму й перетворювачі частоти. Тому що вони є основними
джерелами електромагнітних полів промислової частоти в СЕС, розглянуті заходи
91
щодо безпеки.
Тривалий вплив електромагнітного поля на організм людини може
викликати порушення функціонального стану нервової й серцево-судинної
систем. Це виражається в підвищеній стомлюваності, зниженні якості виконання
робочих операцій, болях в області серця, зміні кров'яного тиску й пульсу.
Відповідно ГОСТ Р 51317.1.2-2007 при наявності потенційного ризику заподіяння
шкоди від електромагнітних перешкод виріб у цілому або окремі його складові
повинні бути випробувані після виготовлення або в лабораторних умовах, або у
виробничих умовах. Виробниками двигунів, перетворювачів частоти, інших
електромеханічних і електронних пристроїв зіставлені обсяг і складність
випробувань, у тому числі й додаткових, на завадостійкість для забезпечення
функціональної безпеки з ризиками й з наслідками відмов від перешкод, а також
врахований наявний досвід функціонування того або іншого виробу в умовах
значних електромагнітних перешкод при визначенні ступеня жорсткості
випробувань і складанні планів випробувань.
Оцінка небезпеки впливу електромагнітного поля на людину проводиться по
величині електромагнітної енергії, поглиненої тілом людини. При роботі навіть
потужних електроустановок високої напруги магнітна напруженість поля не
перевищує 20-25 А/м, тому оцінку потенційної небезпеки впливу
електромагнітного поля досить робити по величині електричної напруженості
поля. При напруженості поля до 5 кВ/м допускається присутність персоналу на
робочому місці протягом 8 годин.
Пожежо й вибухобезпечність забезпечується відповідно до Технічного
регламенту про вимоги до пожежної безпеки, Нормами пожежної безпеки НПБ
247-97, Правилами пожежної безпеки в Україні, деякими будівельними нормами й
правилами, а також державними стандартами.
При експлуатації електроприводів СЕС, фактором, що сприяє виникненню
пожежі, можуть бути:
- електрична іскра й дуга в пристроях комутації;
- частини електродвигуна, що нагріваються до високих температур, у тому
числі від впливу електромагнітних полів;
92
- застосування пожежонебезпечних матеріалів, використаних в
електродвигунах і перетворювачах частоти, що виділяють небезпечні й шкідливі
речовини при експлуатації й зберіганні.
Тому захисні й комутаційні пристрої повинні бути оснащені дугогасними
пристроями, силові пристрої, зокрема електродвигуни й перетворювачі частоти
повинні бути оснащені вентиляторами. Крім того, в системі керування СЕС
повинен бути інтегрований ланцюг аварійної сигналізації, метою якого є
оповіщення про пожежу обслуговуючого персоналу, знеструмлення силової
частини електропривода й запуск автоматичної системи пожежогасіння.
Недостатня освітленість зони обслуговування й експлуатації СЕС може
викликати перенапругу зору обслуговуючого персоналу. Недолік висвітлення
викликає необхідність надмірного наближення обслуговуючого персоналу до зони
небезпеки. Необхідно замірити рівень освітленості й при неприпустимо малому
значення, провести захід щодо збільшення освітленості.

Висновок до п’ятого розділу

В даному розділі наведені основні вимоги до СЕС, розглянутої в
магістерській кваліфікаційній роботі:
- вимоги до експлуатації;
- вимоги до технічного обслуговування й ремонту;
- вимоги до електробезпеки;
- вимоги до зовнішніх факторів, до самої конструкції СЕС;
- загальні вимоги безпеки.
По наведених вимогах були запропоновані заходи, спрямовані на захист від
одержання різних травм. Необхідно забезпечення заземлення всіх
струмопровідних частин і добору засобів релейного захисту. Необхідна перевірка
механічної міцності каркаса всієї системи орієнтації, захисту її від корозії.
Забезпечити захист електроустановок від різних погодних умов. Залежно від місця
установки СЕС обмежити доступ людям, що не відносяться до обслуговуючого
персоналу.
93
ВИСНОВОК

В результаті виконання роботи були отримані наступні результати.
1. Використання Смарт технологій дозволяє додатково здійснювати
економію на рівні 30-50 %.
2. Концепція керування інтелектуальним будинком може бути додатково
вдосконалена шляхом впровадження автоматизованих систем керування.
3. Проведено розрахунок низьковольтної системи живлення, запропонована
методика, що дозволяє ефективно використовувати вироблену сонячною панеллю
енергію без втрат на перетворення;
4. Наведено можливість використання низьковольтної системи живлення для
освітлення автономного об'єкта та для зарядження акумуляторної батареї, без
втрат енергії при перетворенні від 24 В постійного струму до 220 В змінного
струму;
5. При позитивному енергобалансі напруги на АБ1 і АБ2 перебувають в
заданому режимі 24/220В. При цьому забезпечується повне функціонування
навантаження. При негативному енергобалансі функціонування навантаження
припиняється в момент досягнення припустимого значення напруги на АБ1 і АБ2,
при цьому СЕЗ переходить в аварійний режим роботи та заряджає акумулятори;
6. Створена експериментальна низьковольтна освітлювальна система з
підвищеним ККД роботи та інтегрована з сонячною панеллю. Експериментальний
ККД становить 70 %.

94
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ

1. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century: renewable 2010
global status report, 2010. – 80 p.
2. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century: renewable 2011
global status report, 2011. – 116 p.
3. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century: renewable 2012
global status report, 2012. – 172 p.
4. Андрєєва Н. Ю., Кубів В. І., Кубова Р. М., Павленко А. А. Дослідження
варіації сонячної радіації для оцінки енергетичної ефективності сонячних
фотоелектричних батарей / Наукові праці, техногенна безпека, – 2014. С. 123-133.
5. Геро Р., Гурков А. Світова сонячна енергетика: переломний рік
[Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.The European wind energy
association. Wind in power: 2009 European statistics, February 2012. - 11p.
6. Piccablottoa G., Aghemob C., Pellegrinob A., Iacomussic P, Radis M. Study
on conservation aspects using LED technology for museum lighting // 6th International
Building Physics Conference, IBPC // Energy Procedia 78 (2015). - 2015. - pp. 1347-
1352.
7. Techno-economic Analysis of LED Lighting: A Case Study in Utem's Faculti
Building // Malaysian Technical Universities Conference on Engineering & Technology
2012, MUCET 2012 Part 1 Electronic and Electrical Engineering / Procedia
Engineering 53 (2013). - 2013. - pp. 208 – 216.
8. Fathi M, Chikouche A., Abderrazak M. Design and realization of LED Driver
for solar street lighting applications // Energy Procedia 6 (2011). - 2011. - pp. 160-165.
9. Hung Min-Wei, Chen Chun-Jen, Chang Chun-Li, Hsu Chia-Wei. The impacts
of high frequency pulse driving on the performance of LED light // ICOPEN 2011 /
Physics Procedia 19 (2011). - 2011. - pp. 336-343.
10. Carleaa F., Teodoreanua D. I., Iancua I. Analysis of financial parameters for a
combined photovoltaic/ LED intelligent lighting low voltage distributed generation //1st
International Conference 'Economic Scientific Research - Theoretical, Empirical and
95
Practical Approaches', ESPERA 2013//Procedia Economics and Finance 8 ( 2014 ). -
2015. - pp. 113 – 121.
11. Palombaa V., Vastaa S., Giacoppoa G., Calabreseb L., Giuseppe Gulli'a,
Davide La Rosaa, Angelo Frenia. Design of an innovative graphite exchanger for
adsorption heat pumps and chillers // Sciencedirect 69th Conference of the Italian
Thermal Engineering Association, ATI 2014 / Energy Procedia 81 (2015). - 2015. - рр.
1030 – 1040.
12. Claudia N., Dongellinia M., Morinia G. L. Climate influence on seasonal
performances of air-to-water heat pumps for heating // 69th Conference of the Italian
Thermal Engineering Association, ATI 2014 / Energy Procedia 81 (2015). - 2015. - рр.
100 – 107.
13. Laukaa D., Guscaa J., Blumbergaa D. Heat Pumps Integration Trends in
District Heating Networks of the Baltic States // The 5th International Conference on
Sustainable Energy Information Technology (SEIT 2015) / Procedia Computer Science
52 ( 2015 ). - 2015. - рр. 835 – 842
14. Kandler C., Wimmera P., Honoldaj. Predictive control and regulation
strategies of air-to-water heat pumps // 6th International Building / Physics Conference,
IBPC 2015 Energy Procedia 78 (2015). - 2015. - рр. 2088 – 2093
15. Global Energy Network Institute(GENI)http://www.geni.org/
16. Zendehbad M., Chokani N., Abhari R.S.Impact of forested fetch on energy
yield and maintenance of wind turbines //
RenewableEnergy(Volume96,PartA)October2016. - pp. 548-558.
17. Jerson R.P. Vaz, David H. Wood.Performance analysis of wind turbines at
low tip-speed ratio using the Betz-Goldstein model // Energy Conversion and
Management,Volume 126, 15 October 2016. – pp. 662-672.
18. Abdeddaim S., Betka A. Optimal Tracking and Robust Power Control of the
DFIG Woodturbine//Internationaljournalofelectricalpowerandenergysystems,Vol. 49. -
2013. - pp. 234-242.
19. Renewables 2015 Global Status Report REN 21’s, Annual Reporting on
Renewables: Ten years of excellence, – 2015. - р. 251.
96
20. Renewables 2016 Global Status Report REN 21’s: Renewables Interactive
Map for country specific data, – 2016. - р. 272.
21. Francisco J. Aguilara, Pedro V. Quilesa, Simón Aledob. Operation and
energy efficiency of a hybrid air conditioner simultaneously connected to the grid and
to photovoltaic panels // SHC 2013, International Conference on Solar Heating and
Cooling for Buildings and Industr / Energy Procedia 48 (2014). - 2014. - рр. 768-777.
22. Sicari S., Rizzardi A., Miorandi D., Cappiello C., Coen-porisinia.Security
policy enforcement for networked smart objects // Computer NetworksVolume 108, 24
October 2016. – р. 133-147.
23. Carolina Teixeira Nicolaua, Reinaldo C. Souza, Mauricio N. Frota. The
profession/ occupation field model'as an activity theoretical framework for the
development of engineers in the context of the Smart City approach // Information
Technology and Quantitative Management (ITQM 2015) / Procedia Computer Science
55 (2015). - 2015. - рр. 278 - 287.
24. Andrey A. Volkova, Luiza V. Sukneva Bim-technology in Tasks of the
Designing Complex Systems of Alternative Energy Supply // XXIII R-S-P seminar,
Theoretical Foundation of Civil Engineering (23RSP) (Tfoce 2014) Procedia
Engineering 91. - 2014. - рр. 377 - 380.
25. András Kovács, Roland Bátai, Balázs Csanád Csáji, Péter Dudás, Borbála
Háy, Gianfranco Pedone, Tibor Révész, József Váncza Intelligent control for energy-
positive street lighting // Energy. November. – 2016. – рр. 40-51.
26. Manuel Peña, Félix Biscarri, Juan Ignacio Guerrero, Iñigo Monedero, Carlos
León Rule-based system to detect energy efficiency anomalies in smart buildings, a data
mining approach // Expert Systems with Applications. September. – 2016. – рр. 242-
255.
27. Hoong Yan See Taoa, Ahmed Bahabrya, Robert Cloutier. Customer
Centricity in the Smart Grid Model // 2015 Conference on Systems Engineering
Research / Procedia Computer Science 44 ( 2015 ) 115 – 124
97
28. Govinda K. Design of Smart Meter using Atmel 89S52 Microcontroller //
Smart Grid Technologies / Procedia Technology 21 ( 2015 ) 376 – 380, August 6-8,
2015
29. R. Melicio, V.M.F. Mendes, J. Martins, J.C. Quadrado, R. Melicio, V.M.F.
Mendes, J. Martins, J.C. Quadrado.Consumer energy management system with
integration of smart meters // Energy Reports 1. – 2015. – рр. 22-29.
30. Alontseva E.N., Belousovp.A.Flexible distributed control and protection
system for industrial objects – Consumers of electric power // Nuclear Energy and
Technology 1. - 2015. - рр. 233-236.
31. Fabio Favoino, Mauro Overend, Qian Jin. The optimal thermo-optical
properties and energy saving potential of adaptive glazing technologies // Applied
Energy 156. - 2015. - рр. 1-15.
32. Ramakrishna Kappagantua, S. Arul Daniela, M. Venkatesh. Analysis of
Rooftop Solar PV System Implementation Barrier in Puducherry Smart Grid Pilot
Project // Smart grid Technologies / Procedia Technology 21. - 2015. - рр. 490 – 497.
33. Miroslav Behan, Ondrej Krejcar. Vision of Smart Home Point Solution as
Sustainable Intelligent House Concept // 12th IFAC Conference on Programmable
Devices and Embedded Systems The International Federation of Automatic Control
September 25-27. Czech Republic IFAC. - 2013. - рр. 383-387.
34. C.J.J. Paredis, C. Bishop, D. Bodner, Georgia.An Intelligent Controller for
the Smart Grid // Conference on Systems Engineering Research (CSER’13) Eds.:
Institute of Technology, Atlanta, GA, March 19-22, 2013 / Procedia Computer Science.
- 2013. - рр. 776 – 785.
35. Pavle Skocir, Petar Krivic, Matea Tomeljak, Mario Kusek, Gordan Jezic
Activity detection in smart home environment // 20th International Conference on
Knowledge Based and Intelligent Information and Engineering Systems Procedia
Computer Science 96. - 2016. - рр. 672 – 681.
98
36. Qiang Suna, Xubo Gea, Lin Liua, Xin Xub, Yibin Zhanga, Ruixin Niuc,
Yuan. Review of Smart Grid Comprehensive Assessment Systems // Energy Procedia
ICSGCE 2011. - 2011. - рр. 219 – 229.
37. Jalpa Shaha, Biswajit Mishraa Customized Iot enabled Wireless Sensing and
Monitoring Platform for Smart Buildings // 3rd International Conference on Innovations
in Automation and Mechatronics Engineering, ICIAME 2016 / Procedia Technology
23. - 2016. - рр. 256 – 263.
38. Suleimenov B. A., Sugurova L.A., Suleimenov A. B.Intelligent and Hybrid
Systems of Process Control: Theory, Methods, Applications// Mediterranean Journal of
Social Sciences. - 2015. January -Vol 6, No 2
39. Yee Wei Law, Hemanshu R. Pota, Jiong Jin, Zhihong Man, Marimuthu
Palaniswami. Control and Communication Techniques for the Smart Grid: An Energy
Efficiency Proceedings of the 19th World Congress // The International Federation of
Automatic Control Cape Town, (IFAC). August 24-29. - 2014. - рр. 987-998.
40. Zhaparovaa.,Kvasova., Gyоrоkg.Аutonomous light-emitting-diode (LED)
low voltage systems of lighting integrated into ―smart home‖// 9th International
Symposium on Applied Informatics and Related Areas «New Faculty, New Ability!»
(AIS-2014)». - Szekesfehervar. Hungary. 2014. - pp. 102-106/
41. A. Zhaparova, А. Baklanov, D. Titov, G. Gyоrоk.Study of the Effectiveness
of Switching-on LED Illumination Devices and the Use of Low Voltage System in
Lighting // Journal of Applied Sciences Acta Polytechnica Hungarica. - Budapest.
Volume 12. - 2015. Issuenumber 5. pp 71-80.
42. Сайт «Energy media» [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://eenergy.media/2017/01/03/chistaya-energetika-2017-kak-energiya-solntsa-stala-
deshevle-uglya/.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets