Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Введення

Більше 20 млн., що проживають у віддалених від центру регіонах, що не входять в зону обслуговування централізованою енергетики, відчувають гостру нестачу в електричній енергії. Основними проблемами енергопостачання таких, ізольованих від енергосистем, споживачів є дальній транспорт палива для локальних дизельних електростанцій (ДЕС) і залежність від його поставок. В найбільш важкодоступних районах ці проблеми посилюються багатоланковою транспортною схемою і обмеженістю термінів сезонного завезення.

Джерела малої потужності, які використовуються для автономного енергопостачання, мають, як правило, низькі техніко-економічні показники - питомі витрати палива складають 500-600 г в.п. / кВт · год і 300- 350 кг в.п. / Гкал. Дизельні електростанції і котельні часто знаходяться в незадовільному стані. Зростання цін на дизельне паливо сприяє підвищення вартості електроенергії вироблюваної дизельними електростанціями.

Одним з перспективних напрямків розвитку автономного енергопостачання, що дозволяють в значній мірі вирішити проблеми ДЕС, є відновлювана енергетика, зокрема вітроенергетика.

Багато регіонів автономної енергетики Сибіру, Далекого Сходу і Крайньої Півночі характеризуються високим вітровим потенціалом, тому важливим напрямком у розвитку децентралізованого енергопостачання є застосування вітро-дизельних станцій (ВДЕС).

Застосування відновлювальних джерел енергії у складі автономних енергетичних систем дозволяє знизити паливну складову в собівартості вироблюваної електроенергії, що істотно підвищує їх техніко-економічну ефективність.

1. Актуальність теми

В даний час в світі застосовуються різні варіанти побудови гібридних станцій на базі ВДЕС, однак питання оптимізації структури і параметрів системи вимагають продовження досліджень.

Науковим дослідженням у галузі електропостачання автономних споживачів на базі ВДЕС за останні 10 років присвячено низку науково дослідних робіт російських учених: П.П. Безруких, В.Г.Ніколаев, М.А. Сурков, В.Р. Кіушкіна, А.А. Аверін, А.В. Бобров, В.В. Вессарт, А.В. Чебодаев, А.Н. Дорошин, Н.М. Парників, Р.В. Пугачов, і зарубіжних авторів: Tomilson Andrew, Memorial University of Newfoundland; Jeffries William Q. Ph.D. University of Massachusetts Amherst; Akarin Suwannarat, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. У роботах розглядалися питання: математичного моделювання робочих режимів станції, алгоритмів роботи ВДЕС, оцінка економічної ефективності системи, однак існує ряд проблем у даній області, які до кінця не вивчені.

Продуктивність комбінованих енергосистем в чому залежить від енергетичних і робочих характеристик входять до неї установок та їх режимів роботи. Важливим завданням є узгодження режимів роботи компонентів входять до складу вітро-дизельних електростанцій [1].

2. Мета і завдання дослідження

Мета роботи. Підвищення енергоефективності автономних систем електропостачання на базі ВДЕС шляхом раціонального вибору основного генеруючого обладнання та оптимізації його робочих режимів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі визначені і вирішені наступні завдання дослідження:

– проведено порівняльний аналіз варіантів побудови вітро-дизельних електростанцій, визначена найбільш перспективна схема побудови ВДЕС для автономного електропостачання;

– проведен анализ существующих методов расчета мощности, вырабатываемой ВЭС, предложена методика, позволяющая более точно рассчитать вырабатываемую ветроэлектростанцией электроэнергию;

– проведено аналіз існуючих методів розрахунку потужності, вироблюваної ВЕС, запропонована методика, що дозволяє більш точно розрахувати вироблювану вітроелектростанції електроенергію;

– побудований алгоритм ефективного управління робочими режимами ВДЕС, що забезпечує максимальне використання вітрового потенціалу, що дозволяє знизити витрату палива і підвищити експлуатаційний ресурс обладнання;

– розроблена методика оцінки економічної ефективності автономних вітро-дизельних електростанцій, що дозволяє виробляти раціональний вибір основного генеруючого обладнання та режимів його роботи.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи використовувалися: методи аналізу і узагальнення даних, наведених у науково-технічній літературі, ймовірносно-статистичні методи аналізу даних; методи математичного моделювання, імітаційного моделювання, експериментальні дослідження [4].

Наукова новизна роботи. В результаті виконання досліджень отримані наступні нові наукові результати:

– запропоновані раціональні варіанти структури автономної системи електропостачання на базі ВДЕС, у тому числі з керованою баластної навантаженням дозволяє оптимізувати режими роботи основного енергетичного обладнання;

– розроблена математична модель вітро-дизельної системи електропостачання, що враховує реальні зміни потужності навантаження, співвідношення встановлених потужностей вітрової та дизельної складової генеруючого обладнання, дійсні вітрові умови району електропостачання;

– побудовані енергоефективні алгоритми управління режимами силових енергетичних установок ВДЕС, що дозволяють: максимально використовувати потенціал вітру; забезпечити найбільш економічний режим роботи ДЕС; підвищити експлуатаційний ресурс обладнання.

Практична цінність роботи:

– запропоновані універсальні методики розрахунку навантаження споживання і вітроенергетичного потенціалу для короткострокового і довгострокового планування режимів роботи ВДЕС;

– розроблена методика оцінки економічної ефективності автономної вітро-дизельної системи електропостачання;

– розроблені рекомендації з підвищення енергоефективності автономних систем електропостачання шляхом вибору раціонального складу ВДЕС і режимів роботи енергетичного обладнання;

– створено програмний пакет для дослідження і формування раціональних режимів роботи ВДЕС та аналізу її енергетичних балансів.

Достовірність результатів дисертаційної роботи. Отримані в ході дисертаційної роботи наукові результати базуються на всебічному аналізі виконаних раніше науково-дослідних робіт в даної галузі дослідження. У ході роботи використовувалися аналітичні та експериментальні методи перевірки достовірності результатів.

3. Проблеми автономних систем електропостачання

Основу малої енергетики в даний час складають до 50 тисяч різних, переважно дизельних електростанцій. практичний досвід експлуатації ДЕС показує, що витрати на паливо є визначальними в собівартості виробленої ДЕС електроенергії (Рисунок 1). Тому мінімізація витрат палива при експлуатації ДЕС є найважливішим стратегічним завданням, визначальною економічну ефективність електростанції.

Рисунок 1. Діаграма витрат на виробництво і транспорт електроенергії: на ДЕС ВАТ "Сахаенерго".
(анімація: 5 кадрів, 6 циклів повторення, 166 кілобайт)

До числа найважливіших напрямків розвитку систем енергопостачання ізольованих споживачів, забезпечують підвищення якості і економічної ефективності електро- і теплопостачання за рахунок зниження споживання палива, поряд з реконструкцією, є застосування відновлюваних джерел енергії. Для зон децентралізованого електропостачання надзвичайний інтерес представляють комбіновані або гібридні установки, що поєднують в собі ВЕС з дизельними електростанціями, які покривають недолік вироблюваної енергії в безвітряні проміжки часу.

Малі вітроенергетичні установки (ВЕУ) (потужністю до 100 кВт) знаходять широке застосування для автономного живлення споживачів, тому вони конструктивно прості, а необхідна вітрова енергія є в багатьох районах автономного електропостачання [9].

Швидкість вітру і навантаження споживання є випадковими величинами, що в поєднанні з сумірністю потужностей основного енергетичного обладнання вимагає узгодження в реальному масштабі часу режимів виробництва і споживання електроенергії. частково проблему узгодження можна вирішити, використовуючи в енергетичній системі буферні накопичувачі енергії, в якості яких використовуються акумуляторні батареї (АБ).

Підвищення енергоефективності дизельних електростанцій за допомогою вітроенергетичної установки досить складне завдання. огляд структурних схем найбільш поширених ВДЕС дозволив визначити перспективну систему (Рисунок 2), що забезпечує раціональне електропостачання споживача в широкому діапазоні потужностей і вітрових умов.

Рисунок 2. Перспективна блок-схема побудови ВДЕС   Умовні позначення: Г - генератор; РБ - регулятор баласту; В - випрямляч; БН - блок баластних опорів; АБ - акумуляторна батарея; І - інвертор; Н - корисне навантаження; ДД - дизельний двигун; СГ - синхронний генератор; СШ - збірна шина; РА - регулятор акумуляторної батареї.

Багатокомпонентна структура електростанції вимагає розробки спеціалізованих алгоритмів керування, які повинні забезпечити безперебійне постачання споживача електричною енергією в умовах змінюються зовнішніх факторів, що роблять істотний вплив на роботу основного генеруючого обладнання (навантаження і швидкості вітру). Крім того, необхідно створення методик раціонального вибору типу і потужності силових агрегатів, а також методик розрахунку техніко-економічних характеристик проекту.

4. Споживання електричної енергії автономної енергетичною системою

Для практичного використання установок поновлюваної енергетики в складі автономних енергетичних комплексів, а також вибору основного енергетичного обладнання необхідно вирішити ряд технічних задач, розглянутих у другому розділі, найважливішою з яких є узгодження режимів виробництва і споживання енергії в умовах стохастичних часових процесів зміни електричного навантаження споживача і потужності первинного енергоносія, вітру. Спираючись на нормативні документи та типові графіки навантажень, розроблена універсальна методика визначення навантаження споживання децентралізованого споживача (Рисунок 3).

Рисунок 3. Блок-схема розрахунку прогнозних режимів споживання електричної енергії автономної енергетичною системою

Основними факторами, що визначають режими електроспоживання населеного пункту, забезпечуваного електроенергією від автономної енергетичної системи, є чисельність жителів і види електричних навантажень, які в загальному випадку поділяється на: - Побутову - навантаження, споживану населенням (житлові будинки, гуртожитку); - Соціальну - навантаження, споживану об'єктами соціального призначення (магазини, школи, кінотеатри і т.д.) - Виробничу - навантаження, споживану підприємствами.

Вагомий вплив на режими електроспоживання можуть надавати географічні, кліматичні та технічні характеристики конкретного населеного пункту: середньорічна температура повітря, кількість зимових та літніх днів, рівень комфортності комунально-побутової сфери тощо

Визначення навантаження споживання грунтується на використанні типових графіків електіріческіх навантажень.

Проведений аналіз фактичних даних по річному споживанню електричної енергії автономними енергетичними системами показав, що об'єднання побутової та соціального навантаження з прив'язкою її до чисельності населення, прийняте в нормативних документах, забезпечує невисоку точність прогнозу.

На Малюнку 4 представлені осредненние за 2006 - 2010 рр. залежності річного обсягу спожитої електричної енергії, побудовані за фактичним даним електроспоживання 79 автономними енергетичними системами Республіки Саха (Якутія) з чисельністю обслуговується населення від 20 до 859 чол.

Рис. 4. Фактична залежність річного споживання електроенергії від чисельності населення автономних систем електропостачання Республіки Саха (Якутія): а) побутова навантаження б) соціальне навантаження.

4. Алгоритми управління режимами роботи ВДЕС

У логіку роботи пропонованого алгоритму покладено два основних принципи: максимальне корисне використання енергії, що генерується ВЕС та мінімізація числа годин роботи ДЕС. Для практичної реалізації алгоритму управління необхідний постійний контроль за запасом енергії в буферному накопичувачі і поточними значеннями генерується, споживаної і акумулюється потужностями. Крім того, ДЕС повинна бути виконана по 3 ступеня автоматизації, забезпечує дистанційний автоматичний запуск і останов дизельного двигуна. Інтелектуальна система управління (СУ) ВДЕС забезпечує постійний розподіл потоків енергії в замкнутій енергетичної системі залежно від її поточного стану. З точки зору управління, режим роботи станції визначається співвідношенням поточних значень потужності, що генерується ВЕУ і споживаної навантаженням. Можливі два основні режими: [4].

Рисунок 5. Алгоритм управління режимами ВДЕС

1. Вихідна потужність ВЕУ більше споживаної активної потужності навантаження. У цьому режимі споживач повністю забезпечується енергією від ВЕУ. Надлишки вироблюваної ВЕУ потужності направляються на заряд акумуляторних батарей, а у випадках, коли вони перевищують максимальну зарядну потужність АБ, надлишок енергії розсіюється на баластних опорах.

2. Вихідна потужність ВЕУ менше споживаної активної потужності навантаження. У цьому режимі СУ визначає недолік потужності, необхідної споживачеві, і робить оцінку можливості її отримання з АБ. Якщо необхідна в поточному режимі розрядна потужність накопичувача не перевищує гранично допустимих значень, покриття електричного навантаження ВДЕС проводиться за рахунок потужності ВЕУ та розрядної потужності АБ. В іншому випадку СУ формує керуючий сигнал на запуск дизельного двигуна, і покриття електричного навантаження проводиться спільними зусиллями ВЕУ і ДЕС, що, крім цього, забезпечують заряд АБ.

Як приклад на малюнку 6 показаний добовий режим роботи ВДЕС, побудованої на базі дизель-генератора номінальною потужністю 1 5 кВт, ВЕУ 13 потужністю 50 кВт і буферного накопичувача з 40 акумуляторів з сумарною ємністю 90 кВт • год.

Рисунок 6 Добовий робочий режим ВДЕС з буферним накопичувачем енергії

Представлений графік отриманий за результатами імітаційного математичного моделювання автономної системи електропостачання, розташованої в селищі Усть-Оленек, Булунского улус, республіка Саха (Якутія), енергозабезпечення даного селища забезпечується дизельними електростанціями. Використання вітро-дизельних систем електропостачання забезпечить економію палива, збільшить моторесурс дізельгенератора. При моделюванні використовувалися ймовірносно-статистичні моделі навантажень автономного споживача і енергії повітряного потоку, а також енергетичні моделі ВЕУ і ДЕС.

Результати розрахунків свідчать про те, що для забезпечення раціонального енергетичного балансу в автономній ВДЕС, а відповідно підвищення її енергетичної ефективності, необхідно ретельно чином погоджувати встановлені потужності ДЕС, ВЕУ і АБ з урахуванням вітрових умов в місці розміщення електростанції і прогнозного графіка електричних навантажень. Тим не менш, навіть при раціонально обраної схемою ВДЕС залишаються надлишки генерованої ВЕУ електроенергії, які неможливо повністю утилізувати за допомогою накопичувачів енергії, побудованих на базі АБ. Отже, будь автономна ВДЕС повинна містити в своєму складі регуліруюмую навантаження для для узгодження режимів виробництва і споживання енергії в режимах перевищення потужності, що виробляється ВЕУ над поточною потужністю навантаження.

На малюнку 7 представлений добовий режим роботи ВДЕС, отриманий за результатами імітаційного математичного моделювання за алгоритмом з використанням баластного навантаження.

Рисунок 7. Оптимізований добовий робочий режим ВДЕС з буферним накопичувачем енергії і баластної навантаженням

Методика вибору оптимального варіанта побудови ВДЕС заснована на розрахунку і порівняльному аналізі енергетичних характеристик автономної електростанції, призначеної для електропостачання конкретного споживача з географічною прив'язкою до місця її розміщення. Поліпшення енергетичних характеристик ВДЕС досягається за рахунок раціонального вибору встановлених потужностей генеруючих і акумулюючих джерел, визначених параметрами вітрового режиму в місці розміщення електростанції і характером електричного навантаження споживача, а також оптимального управління потоками енергії в замкнутій енергетичної системі, що забезпечує єдина система управління робочими режимами. Так як раціональне співвідношення встановлених потужностей ДЕС, ВЕУ і БНЕ не є типовим, а визначається індивідуально для кожної ВДЕС з урахуванням конкретних умов її розміщення та експлуатації, в Як критерій вибору основного силового обладнання доцільно використовувати техніко-економічні показники.

Висновки

Основні результати проведених у дисертаційній роботі досліджень, спрямованих на підвищення енергоефективності системи автономного вітро-дизельного електропостачання полягає в наступному: 1. Проведено аналіз децентралізованої енергетики Росії, основу якої складають дізелние електростанції. Виявлено негативні фактори, впливають на надійність автономного електропостачання, визначають низькі технічні показники та економічні характеристики ДЕС. Визначено основні напрямки підвищення ефективності автнонмних електростанцій за допомогою відновлюваної енергетики. 2. Проаналізовано варіанти побудови гібридних систем електропостачання на базі ВДЕС, визначена перспективна структурна схема побудови вітро-дизельного електропостачання автономного споживача. 3. Проведено аналіз методів визначення основних енергетичних параметрів систем автономного електропостачання з використанням ВЕС: вітроенергетичного потенціалу та навантаження споживання, що визначають вибір основних компонентів ізольованою енергетичної системи. Розроблено математичні моделі та запропонована методика визначення вироблюваної енергії ВЕС з урахуванням реальних характеристик вітро- дизельної установки, і універсальна методика визначення навантаження електроспоживання. 4. Розроблено ефективні алгоритми управління режимами роботи вітро-дизельних електростанцій для автономного електропостачання, дозволяють: максимально використовувати потенціал вітру; забезпечити найбільш економічний режим роботи ДЕС; підвищити експлуатаційний ресурс обладнання. 20 5. Запропоновано автоматизовану методика вибору компонентів децентралізованої вітро-дизельної системи електропостачання, розрахунку основних показників економічної ефективності застосування ВДЕС.

*При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника в січні 2016 року.

Список джерел

  1. Хошнау З. П. Пути повышения энергоэффективности автономных ветроэлектростанций // Материалы Всероссийской научно- технической конференции "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования" Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 351с.
  2. Обухов С.Г., Сурков М.А., Хошнау З.П. Методика выбора ветроэнергетических установок малой мощности // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2011 – №2 – С. 25 – 30.
  3. Хошнау З.П. Методика выбора ветроэлектростанции по функции распределения вейбулла и определение экономической эффективности инвестиционного проекта // Сборник трудов международной научно- технической конференции "IV чтения Ш. Шокина" I том – Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2010. – 284 с.
  4. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Хошнау З.П. Обоснование применения буферных накопителей энергии для повышения энергоэффективности ветро-дизельных электростанций // Электричество, 2012. – № 6 – С. 24 – 29.
  5. Обухов С.Г., Хошнау З.П. Прогнозирование режимов потребления электрической энергии автономными энергетическими системами // Промышленная энергетика. (в печати).
  6. Попель О.С., Туманов В.Л. Возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы развития / Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология, АЭЭ, №2(46) (2007) – 135 с.
  7. Savita Nema, R.K. Nema, Gayatri Agnihotri Matlab/simulink based study of photovoltaic cells/modules/array and their experimental verification, International Journal of Energy and Environment
  8. Soumyadeep Ray , Sushree Subhadarsini Harmonic reduction technique using multilevel inverter in photo voltaic system with MPPT, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 2013.
  9. Левшов А.В., Федоров А.Ю., Молодиченко А.В. Математическое моделирование фотоэлектрических солнечных элементов, Научные труды Донецкого национального технического университета, №11(186), 2011.
  10. Альтернативная энергетика[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://alternativenergy.ru