System wyładowania plazmowego składa się z regulatora napięcia, generatora plazmy i reaktora. Zwykle stosuje się go do przeprowadzania testów wyładowań łukowych, wyładowań z barierą dielektryczną i wyładowań jarzeniowych w różnych atmosferach, takich jak powietrze, tlen, azot i inne gazy obojętne.
Celem projektu jest zbudowanie zasilacza dla eksperymentalnego układu wyładowań plazmowych. Zasilanie energią słoneczną dostosowaną do konkretnego zastosowania obejmuje MPPT (maksymalny moduł śledzenia punktu mocy) i falownik zaprojektowany specjalnie do tego zastosowania. Komponenty te zostaną zintegrowane w jeden kompaktowy, ekonomiczny pakiet typu open source.
Opis układu doświadczalnego wyładowania plazmowego
Konfiguracja systemu wyładowania plazmowego
Konfiguracja generatora plazmySkład produktu
1. Zasilacz plazmowy CTP 2000K.
- Nazwa produktu: Eksperymentalny zasilacz plazmowy niskotemperaturowy
- Model: CTP 2000K
- Napięcie wyjściowe (kV): 0-30
- Częstotliwość (kHz): 5-20
- Moc (W): 0-500
2. TDGC2-1 Kontaktowy regulator napięcia (rezystancyjny).
- Znamionowe napięcie wejściowe: 220 V
- Moc znamionowa: 1kVA
- Częstotliwość: 50 Hz
- Zakres napięcia wyjściowego: (0-250) V
- Znamionowy prąd wyjściowy: 4A
- Waga: 6,5 kg
3. Reaktor DBD.
Proponowany zasilacz
| SL | Typ | Specyfikacja |
|---|---|---|
| 1 | PV | 200 W |
| 2 | MPPT | 20A |
| 3 | Falownik | 230 V, 50 Hz (500 W) |
| 4 | Bateria | 24 V, 50 Ah |
Przegląd literatury na temat „Zasilacza słonecznego typu open source do generatora plazmy”
Zastosowania wyładowań plazmowych
1. Produkcja wodoru z węglowodorów przy użyciu wyładowań plazmowych w warunkach wysokiego ciśnienia [1]
Yasushi Nishida i in. opracowują nowatorski system produkcji H2 wykorzystujący wyładowania plazmowe, specjalnie zaprojektowany do pracy w warunkach wysokiego ciśnienia przekraczającego 1,5 atm. System przeznaczony do montażu w poruszających się pojazdach wykorzystuje obecnie metan i propan, osiągając uzysk H 2 na poziomie około 60% w porównaniu z resztkowym CH4 przy energii wejściowej 138 Wh.
2. Wysokosprawna produkcja wodoru metodą wyładowań mikrofalowych w plazmie w paliwach ciekłych etanolu [2]
Bing Sun i in. zbadali produkcję wodoru o dużej wydajności za pomocą plazmy wyładowań mikrofalowych w ciekłym etanolu. Ich badania z wykorzystaniem reaktora ze sprzęganiem bezpośredniej fali stojącej badają zoptymalizowane warunki, w których osiąga się natężenie przepływu wodoru na poziomie 72,48 g/h, stężenie 58,1% i uzysk energii na poziomie 48,32 g/kWh.
3. Wytwarzanie wodoru metodą elektrolizy roztworów metanolu w plazmie jarzeniowej [3]
Zong Cheng Yan i in. zagłębić się w wytwarzanie wodoru poprzez elektrolizę roztworów metanolu w plazmie jarzeniowej. W badaniu podkreślono dominację H2 i HCHO w rozkładzie metanolu, przy wyższej wydajności wodoru i znacznie niższym zużyciu energii w katodowym PKBE w porównaniu z anodowym PKBE, szczególnie przy napięciu rozładowania 700 V.
4. Zastosowanie nietermicznego wyładowania plazmowego powierzchniowego w stanie mokrym do oczyszczania spalin: usuwanie NOx [4]
J. Jolibois i in. zbadali zastosowanie nietermicznego wyładowania plazmowego powierzchniowego do usuwania NOx w wilgotnych warunkach, badając jego skuteczność w oczyszczaniu gazów spalinowych przy niskich natężeniach przepływu (1 l/min) i 100 ppm NO.
5. Charakterystyka źródła plazmy DBD do zastosowań biomedycznych [5]
M. Kuchenbecker i in. scharakteryzować źródło plazmy z wyładowaniem z barierą dielektryczną (DBD) do zastosowań biomedycznych. To źródło plazmy DBD, wyposażone w elektrodę pokrytą ceramiką, działa w warunkach ustalonych bez dodatkowego przepływu gazu i jest badane pod kątem potencjalnego leczenia obiektów biologicznych.
6. Zastosowanie podwodnego wyładowania plazmowego o wysokiej częstotliwości w działaniu antybakteryjnym [6]
MW Ahmed i in. zbadać antybakteryjne działanie podwodnych wyładowań plazmowych o wysokiej częstotliwości. Używając transformatora neonowego, osiągają skuteczną inaktywację Gram-ujemnych Escherichia coli w układach wodnych, bez zauważalnego odradzania się E. coli nawet po 72 godzinach leczenia plazmą.
Generatory plazmowe zasilane energią słoneczną
Dostępnych jest bardzo niewiele literatury opisującej projekt kompletnego systemu wytwarzania plazmy zasilanego energią słoneczną. W tej sekcji omówione zostaną wyłącznie następujące rodzaje literatury:
7. Kompaktowy mikrosekundowy generator prądu impulsowego napędzany energią słoneczną do zastosowań związanych z wyładowaniem bariery dielektrycznej [7]
Zhi Fang i in. zaprojektował kompaktowy system generatora plazmy zasilanego energią słoneczną do napędzania reaktora DBD. Zasilacz impulsowy może dostarczać impulsy wysokiego napięcia do 20 kV, z częstotliwością powtarzania impulsów w zakresie od 1 Hz do 2 kHz i maksymalną mocą wyjściową 150 W.
- Generator impulsowy został zaprojektowany tak, aby mieć maksymalną moc wyjściową 150 W, z dodatkowym marginesem 100 W w celu uwzględnienia niewystarczającego światła słonecznego i strat mocy w mikrosekundowym generatorze impulsowym.
- W przypadkach, gdy moc wyjściowa panelu słonecznego w warunkach słabego oświetlenia nie jest w stanie spełnić wymagań aplikacji DBD, panel słoneczny można zastąpić akumulatorami dostępnymi na rynku, zapewniającymi napięcie wyjściowe w zakresie 9-36 V.
- Zakres napięcia wejściowego wynosi 10–60 V, co odpowiada zarówno zakresowi napięcia wyjściowego panelu słonecznego, jak i akumulatora. Napięcie wyjściowe konwertera fotowoltaicznego mieści się w zakresie od 3 V do 90 V, a przełożenie uzwojenia transformatora wynosi 1:50.
- Jednakże w systemie zastosowano przetwornicę DC-DC typu PWM, która nie optymalizuje mocy fotowoltaicznej, a obwód przełączający do pracy z wysoką częstotliwością pozbawiony jest mechanizmu ZVS, co skutkuje dużymi stratami mocy i słabą wydajnością.
8. Projekt regulowanego zasilacza impulsowego wysokiego napięcia napędzanego przez ogniwa fotowoltaiczne do wytwarzania zimnej plazmy [8]
Mengqi Li i in. zaprojektował generator plazmy zasilany energią słoneczną, który wykorzystuje wielostopniowy konwerter podwyższający w celu odpowiedniego zwiększenia napięcia. Wykorzystują generator Marxa do regulacji częstotliwości (w zakresie od 500 Hz do 5 kHz), a następnie transformator do podniesienia napięcia do 10 kV w celu wytwarzania plazmy.
- Konwerter podwyższający pierwszego stopnia wykorzystuje algorytm MPPT do ładowania akumulatora.
- Zastosowano sześciostopniowy generator Marxa wraz z transformatorem o przełożeniu 1:18 i wykorzystującym metodę uzwojenia równoległego dwuprzewodowego.
- Przeprowadzili testy swojego generatora plazmy przy użyciu trzech rodzajów wyładowań: N-APPJ, DBD i płytki stykowej.
9. Ręczne źródło plazmy zasilane energią słoneczną do zastosowań w zakresie odkażania mikrobiologicznego. [9]
Y Ni, MJ Lynch i in. Mengqi Li i in. zaprojektował ręczne źródło plazmy do dekontaminacji mikrobiologicznej.
- Wyjątkowo lekkie urządzenie, ważące zaledwie 750g, zasilane baterią ładowaną energią słoneczną.
- Redukcja liczby mikroorganizmów wahała się od 2 do 8 log, na co duży wpływ miały warunki wytwarzania plazmy.
- W jednostce SMPS zastosowano konwerter podwyższający napięcie w celu podniesienia nominalnego napięcia 7,4 V z akumulatora LiPo do 30 V. Następnie półmostek MOSFET dzieli sygnał 30 V prądu stałego na falę prostokątną o wysokiej częstotliwości, odpowiednią do zasilania miniaturowego transformatora wysokiego napięcia. Wyjście transformatora jest podłączone bezpośrednio do elektrod SBD.
- Przy całkowicie naładowanym akumulatorze zaobserwowano, że rozpraszająca plazma moc 10 W może być utrzymywana w sposób ciągły przez około 1 godzinę, co wskazuje na wydajność rzędu 85%, co jest typowe dla tego rodzaju impulsowych źródeł zasilania.
- Choć nadaje się do plazmy o małej mocy, skalowanie w górę stanowi wyzwanie dla tego typu urządzeń.
10. Zdecentralizowane systemy wodne zasilane energią słoneczną: czystsze rozwiązanie problemów związanych z oczyszczaniem ścieków przemysłowych i zaopatrzeniem w czystą wodę pitną [10]
Ainy Hafeez, Zufishan Shamair i in. zaprojektował zdecentralizowane oczyszczanie ścieków przy użyciu systemu plazmowego wykorzystującego energię słoneczną.
- Do reaktora dostarczany jest prąd przemienny w celu wytworzenia plazmy między elektrodą pod napięciem a elektrodą uziemioną pod ciśnieniem atmosferycznym (Liu i in., 2017a). Rozpad powietrza następuje przy napięciu 3,8 kV i częstotliwości prądu 37 kHz.
- Potencjalnym rozwiązaniem zapewniającym dostawy czystej wody pitnej może być zdecentralizowany system wody pitnej obejmujący zaawansowany reaktor utleniający zasilany energią słoneczną. W ich konfiguracji zastosowano generator plazmy zasilany przez system inwertera słonecznego.
- Chociaż dostarczono schemat procesu, nie przeprowadzono eksperymentalnego wdrożenia.
System zasilania energią słoneczną do celów indywidualnych
11. Przenośna autonomiczna elektrownia słoneczna do użytku indywidualnego [11]
Javoxir Toshov et. glin. zaprojektował przenośną elektrownię słoneczną opartą na baterii słonecznej.
- Panel słoneczny generuje 20 watów mocy, a falownik może obsłużyć do 300 watów przy napięciu wyjściowym 220 V i częstotliwości 50 Hz. Bateria ma pojemność 14Ahr i może zasilać telewizor i oświetlenie pokoju do 4 godzin lub samo oświetlenie pokoju przez 20 godzin.
- Nie wdrożono algorytmów śledzenia mocy maksymalnej i nie zastosowano właściwej metodologii ładowania akumulatorów.
12. Hybrydowa jednostka kondycjonująca energię słoneczną online poza siecią do celów domowych [12]
Mohit Chaudhari et. glin. zaprojektował UPS, który dostarcza energię do sieci z akumulatora i wykorzystuje kontroler ładowania MPPT do wykorzystania energii słonecznej.
- Do ładowania zestawu akumulatorów 48V wykorzystano przetwornicę Buck z implementacją MPPT.
- Zastosowano kontroler DSPic będący hybrydową kombinacją procesora DSP i mikrokontrolera.
- Zastosowano falownik oparty na IGBT. Zastosowano także hybrydowy sterownik IGBT, który izoluje sygnał bramki PWM i wzmacnia go. Do zapewnienia izolacji elektrycznej pomiędzy sterownikiem a kontrolerem służy sprzęgacz optyczny.
- Sprawność systemu jest bardzo wysoka i przekracza 85 procent przy pełnym obciążeniu.
13. Falowniki fotowoltaiczne [13]
Regine Mallwitz et. glin. firma SMA Solar Technology AG, będąca światowym liderem rynku inwerterów fotowoltaicznych o mocy zainstalowanej na całym świecie przekraczającej 4 GW, sklasyfikowała falowniki podłączane do sieci trzeciej generacji i omówiła w tym artykule ich opakowanie i konfiguracje.
- Odkryli, że dynamicznie rozwijający się rynek falowników dotyczy głównie falowników podłączonych do sieci, podczas gdy z drugiej strony liczba falowników fotowoltaicznych do instalacji wyspowych lub do użytku indywidualnego jest znacznie mniejsza.
- Sprawność falowników pierwszej generacji wynosiła około 90%, falownik drugiej generacji miał około 96-98%, a najnowszy falownik trzeciej generacji miał sprawność 99% ze względu na rozwój urządzeń półprzewodnikowych opartych na SiC.
- Ze względu na dopuszczalną maksymalną moc wprowadzaną do sieci jednofazowych wynoszącą 5kW, większość falowników montowana jest w tym zakresie mocy.
14. Badania i projektowanie falowników stosowanych w systemach fotowoltaicznych podłączonych do sieci dystrybucyjnej [14]
Nguyen Duc Minh et. symulował i zaprojektował eksperymentalny prototyp inteligentnego falownika fotowoltaicznego o mocy 5 kW podłączonego do sieci.
- Włączyli algorytm P&O MPPT w konwerterze podwyższającym, aby śledzić maksymalną moc przed konwersją prądu stałego na prąd przemienny.
- Wykorzystali ramkę dq do sterowania prądami trójfazowego inteligentnego falownika, który reguluje moc bierną do zera w punkcie wspólnego połączenia (PCC).
- Ustalili, że sprawność falownika po trzech różnych obciążeniach wyniosła około 89,15%, a całkowite zniekształcenia harmoniczne thd= 4,14% (<5%).
15. Projektowanie i walidacja modułowej platformy sterowania dla falownika źródła napięcia [15]
Hernan Lezcano et. glin. przedstawił modułową konstrukcję do akwizycji sygnału i projekt sprzętu sterującego dla komercyjnego konwertera VSI opartego na IGBT dla systemu izolowanego i podłączonego do sieci.
- System jest w stanie dostarczać energię trójfazową do obciążenia około 10 kW.
- Przeprowadzili trzy rodzaje testów systemu: test w pętli otwartej, test w pętli zamkniętej i analiza zniekształceń harmonicznych całkowitych. Gdzie stwierdzili poziom THD na poziomie 5,3%.
- Wszystkie ich pliki projektowe i kody są open source - licencja publiczna NU (GNU GPL v3).
- ↑ Y. Nishida, C.-Z. Cheng, K. Iwasaki, Produkcja wodoru z węglowodorów przy użyciu wyładowań plazmowych w warunkach wysokiego ciśnienia, IEEE Transactions on Plasma Science. 42 (2014) 3674–3680. https://doi.org/10.1109/TPS.2014.2337351.
- ↑ B. Sun, X. Zhao, Y. Xin, X. Zhu, Produkcja wodoru o dużej wydajności metodą plazmy wyładowań mikrofalowych w paliwie ciekłym etanolu, International Journal of Hydrogen Energy. 42 (2017) 24047–24054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.052.
- ↑ ZC Yan, C. Li, WH Lin, Hydrogen Generation by jarzeniowego elektrolizy plazmowej roztworów metanolu, International Journal of Hydrogen Energy. 34 (2009) 48–55. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.09.099.
- ↑ J. Jolibois, K. Takashima, A. Mizuno, Zastosowanie nietermicznego wyładowania plazmowego powierzchniowego w stanie mokrym do oczyszczania gazów spalinowych: usuwanie NOx, Journal of Electrostatics. 70 (2012) 300–308. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2012.03.011.
- ↑ M. Kuchenbecker, N. Bibinov, A. Kaemlimg, D. Wandke, P. Awakowicz, W. Viöl, Charakterystyka źródła plazmy DBD do zastosowań biomedycznych, J. Phys. D: Aplik. Fiz. 42 (2009) 045212. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/4/045212.
- ↑ MW Ahmed, S. Choi, K. Lyakhov, U. Shaislamov, RK Mongre, DK Jeong, R. Suresh, HJ Lee, Zastosowanie podwodnego wyładowania plazmowego o wysokiej częstotliwości w działaniu antybakteryjnym, Plasma Phys. Rep. 43 (2017) 381–392. https://doi.org/10.1134/S1063780X17030011.
- ↑ Z. Fang, Y. Shi, F. Liu i R. Zhou, „Kompaktowy mikrosekundowy generator prądu impulsowego napędzany energią słoneczną do zastosowań związanych z wyładowaniem bariery dielektrycznej”, IEEE Trans. Dielektr. elektr. Insul. , tom. 26, nie. 2, s. 390–396, kwiecień 2019, doi: 10.1109/TDEI.2018.007725.
- ↑ M. Li, K. Luo i Z. Xiong, „Projekt regulowanego zasilacza impulsowego wysokiego napięcia napędzanego przez ogniwa fotowoltaiczne do generowania zimnej plazmy”, w 2021 r. 4. Międzynarodowa Konferencja Elektryczna i Energii IEEE (CIEEC) , maj 2021 r., s. 1–6. doi: 10.1109/CIEEC50170.2021.9510416.
- ↑ Y. Ni, MJ Lynch, M. Modic, RD Whalley, JL Walsh, Ręczne źródło plazmy zasilane energią słoneczną do zastosowań w odkażaniu mikrobiologicznym, J. Phys. D: Aplik. Fiz. 49 (2016) 355203. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/35/355203.
- ↑ A. Hafeez, Z. Shamair, N. Shezad, F. Javed, T. Fazal, S. ur Rehman, AA Bazmi, F. Rehman, Zdecentralizowane systemy wodne zasilane energią słoneczną: Czystsze rozwiązanie oczyszczania ścieków przemysłowych i czystego picia wyzwania związane z zaopatrzeniem w wodę, Journal of Cleaner Production. 289 (2021) 125717. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125717.
- ↑ J. Toshov i E. Saitov, „Przenośna autonomiczna elektrownia słoneczna do użytku indywidualnego”, E3S Web Conf. , tom. 139, s. 01087, 2019, doi: 10.1051/e3sconf/201913901087.
- ↑ M. Chaudhari, K. Babu, SW Khubalkar i S. Talokar, „Off-Grid Hybrid Online Solar Power Conditioning Unit for Domestic Purposes”, w 2019 r. Międzynarodowa konferencja na temat technologii informatycznych, energetycznych i komunikacyjnych (GUCON) , wrzesień 2019 r. , s. 121–126.
- ↑ R. Mallwitz i B. Engel, „Inwertery energii słonecznej”, w 2010 r. VI Międzynarodowa Konferencja na temat Zintegrowanych Systemów Elektroniki Energetycznej , marzec 2010, s. 1–7.
- ↑ Nguyen Duc Minh, Trinh Trong Chuong, Bui Van Huy, Quach Duc Cuong i Bui Dinh Thanh, „Badania i projektowanie inwertera stosowanego w systemach fotowoltaicznych podłączonych do sieci dystrybucyjnej”, J Electr. inż. , tom. 7, nie. 1 lutego 2019 r., doi: 10.17265/2328-2223/2019.01.006.
- ↑ H. Lezcano, J. Rodas, J. Pacher, M. Ayala i C. Romero, „Projekt i walidacja modułowej platformy sterującej dla falownika źródła napięcia”, HardwareX , tom. 13, s. 13 e00390, marzec 2023, doi: 10.1016/j.ohx.2022.e00390.