Система опреснения солоноватой воды с фотоэлектрическим приводом
Аккумуляторная батарея Challenger EVG6-225
Солоноватая вода — это вода, концентрация соли в которой находится между пресной и морской водой. Обычно она встречается в устьях рек, где они впадают в море.
Алжирские исследователи создали одноступенчатую систему опреснения солоноватой воды с помощью солнечных батарей и аккумуляторов, в которой для повышения эффективности используется гибридный оптимизатор на основе пятнистой гиены и алгоритм отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). Моделирование и испытания в реальных условиях показали высокую производительность, стабильную подачу воды и низкую солёность при изменении интенсивности солнечного излучения.
Исследователи из Университета Бискры в Алжире разработали одноступенчатую систему опреснения с использованием солнечных батарей и аккумуляторов для очистки солоноватой воды. Для эффективной работы система сочетает в себе гибридный оптимизатор и технологию MPPT.
Система объединяет гибридный оптимизатор «пятнистая гиена» (SHO) с алгоритмом MPPT «возмущение и наблюдение» (P&O), что обеспечивает точное определение глобальной точки максимальной мощности (GMPP) даже при нестабильном солнечном свете.
«В отличие от обычных двухступенчатых фотоэлектрических (ФЭ) систем с обратным осмосом (ОО), в нашей конфигурации используется квази-Z-инвертор (QZSI), который выполняет как повышение напряжения постоянного тока, так и преобразование постоянного тока в переменный в одной ступени, что снижает потери при преобразовании, количество компонентов и общую стоимость системы, — рассказала журналу PV автор исследования Елена Рубаненко. — Полная модель была экспериментально проверена с помощью аппаратно-программного тестирования (HIL), что обеспечило точную работу в режиме реального времени».
Сначала система была смоделирована в MATLAB/Simulink. Она состояла из четырёхпанельной фотоэлектрической системы, расположенной в конфигурации 2 × 2, с каждой панелью мощностью 175 Вт. Также в систему была включена литий-ионная батарея ёмкостью 110 Ач и напряжением 300 В. Система QZSI повышает и инвертирует напряжение для питания трёхфазного асинхронного двигателя мощностью 750 Вт, который приводит в действие установку обратного осмоса, оснащённую тонкоплёночной композитной мембраной из полиамида. Для минимизации переходных ошибок, сокращения времени стабилизации и повышения общей стабильности системы был реализован контроллер с линейно-квадратичным регулятором (LQR).
«Метод P&O прост в вычислительном отношении, но у него есть ограничения, — отметили исследователи. — Чтобы их преодолеть, были изучены алгоритмы оптимизации, вдохновлённые природой, такие как SHO. SHO имитирует поведение пятнистых гиен во время совместной охоты: они используют положение добычи в качестве оптимального решения, а другие агенты корректируют свои позиции, чтобы повысить эффективность поиска и скорость сходимости».
Команда смоделировала работу системы в двух условиях: при частичном затенении и при переменной интенсивности излучения с постоянной температурой. В случае частичного затенения было рассмотрено четыре сценария: одно стандартное тестовое условие (STC) и три сценария со смешанной интенсивностью излучения. В сценарии с переменной интенсивностью излучения профиль менялся каждые 0,9 секунды. Система была дополнительно протестирована с помощью HIL-тестирования с использованием реальных данных о солнечном излучении от Biskra, а нагрузка определялась исходя из расхода пермеата, необходимого для местной больницы.
«Гибридный метод SHO–P&O MPPT обеспечил эффективность отслеживания 99,9 %, время отклика 0,08 с и незначительные колебания мощности, превзойдя автономные методы P&O и SHO», — заявил Рубаненко. «Регулятор LQR обеспечил перерегулирование всего в 2 % и время установления 0,1 с для переменных RO, превзойдя переходные характеристики ПИД-регуляторов, ПИД-регуляторов дробного порядка (FOPID) и регуляторов в скользящем режиме. В целом система поддерживала стабильный поток фильтрата в 0,2 м³/ч и солёность продуктивной воды примерно в 5,2 г/м³ при реальных условиях солнечной активности в Бискре.
Система была представлена в статье «Интеллектуальная одноступенчатая система опреснения на солнечных батареях с гибридным MPPT и оптимальным управлением для очистки солоноватой воды», опубликованной в Scientific Reports.
В исследовании приняли участие учёные из Университета Бискры в Алжире, Университета Графической Эры в Индии (считается университетом), Амманского университета Аль-Ахлия, Университета бизнеса и технологий в Саудовской Аравии и Винницкого национального технического университета в Украине.