close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПРИМЕНЕНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Филатов Дмитрий Алексеевич
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород 2016
1
Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и
силовая электроника» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева»
Научный руководитель:
- доктор технических наук, доцент, профессор
кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение
и силовая электроника» ФГБОУ ВПО «Нижегородский
государственный технический университет
им. Р.Е. Алексеева»
СОСНИНА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Электроснабжение и
электротехника им. академика И.А. Будзко»
ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный
университет – МСХА им. К.А. Тимирязева»
ЛЕЩИНСКАЯ ТАМАРА БОРИСОВНА
- кандидат технических наук, директор
Нижегородского филиала ФГБУ
«Российское энергетическое агентство»
БУГРОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Ведущая организация:
- Федеральное государственное бюджетное учреждение
науки «Объединенный институт высоких температур
Российской Академии Наук»
Защита состоится “ 8 ” апреля 2016 г. в 14.00 часов в аудитории 1258 на
заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при Федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
"Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" по
адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корпус 1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте
Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим
направлять по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корпус 1,
ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02.
Автореферат разослан “ ” февраля 2016 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
к.т.н., доцент
А.С. Плехов
2
Общая характеристика работы
Актуальность. Сельское хозяйство является одним из приоритетных
направлений социально-экономического развития России. «Стратегия устойчивого
развития сельских территорий Российской Федерации на период до 2030 года»
предусматривает создание в сельской местности благоприятных инфраструктурных
условий и высокотехнологичных рабочих мест, увеличение производительности
труда за счет увеличения энергообеспечения в 3,3 раза. Достижение поставленной
цели требует, в первую очередь, решения проблем электроснабжения
сельскохозяйственных предприятий (СХП). Согласно Стратегии, повышение
эффективности электроснабжения объектов сельского хозяйства заключается в
«максимальном использовании возможности применения нетрадиционных
источников энергии (солнечных батарей, ветроэнергетических установок, мини
гидроэлектростанций, биогазовых установок и др.)».
Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволит повысить
энергообеспечение и электровооруженность СХП без дополнительной нагрузки на
централизованную электрическую сеть. Эффективность электроснабжения при этом
будет зависеть от технико-экономических и экологических показателей
используемых энергоустановок на ВИЭ, а также режимов их работы.
Значительный вклад в развитие теории и практики применения ВИЭ для
электроснабжения потребителей внесли отечественные ученые Д.С. Стребков, П.П.
Безруких, В.И. Виссарионов, О.С. Попель, Е.В. Соломин, Л.А. Саплин, Р.А.
Амерханов, С.М. Воронин, С.К. Шерьязов, Б.В. Лукутин и др. Анализ публикаций
по теме исследования показал, что большинство научных работ посвящены
методикам
расчета
потенциала
возобновляемых
энергоресурсов,
совершенствованию технологий и методик расчета параметров энергоустановок.
Вместе с тем нет научно обоснованного подхода к выбору моделей энергоустановок
на ВИЭ. Недостаточно проработаны вопросы параллельной работы ВИЭ и
централизованной электрической сети при электроснабжении СХП. Решению этих
вопросов и посвящена диссертация.
Объект исследования – системы электроснабжения сельскохозяйственных
предприятий малой и средней мощности.
Предмет исследования – параметры и режимы работы энергоустановок на
ВИЭ, применяемых для электроснабжения СХП.
Цель диссертации – разработка научно-технических решений по применению
возобновляемых источников энергии, обеспечивающих повышение эффективности
электроснабжения СХП на основе многокритериального подхода к выбору
энергоустановок на ВИЭ и их интеграции в централизованную электрическую сеть.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные и
практические задачи:
1)
исследование особенностей электропотребления сельскохозяйственных
предприятий России и перспектив применения ВИЭ;
3
2)
разработка концепции, создание автоматизированной информационной
базы данных по ВИЭ и проведение на ее основе исследований эксплуатационнотехнологических параметров современных энергоустановок на ВИЭ;
3)
разработка методики выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности
эксплуатационно-технологических параметров, определяющих эффективность
системы электроснабжения СХП;
4)
решение вопросов параллельной работы ВИЭ и централизованной
электрической сети, обеспечивающих эффективное электроснабжение СХП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы
методы инструментального исследования (энергоаудита), принятия решений,
структурного анализа, аппарат теории вероятности и математической статистики.
Достоверность выводов подтверждается корректным использованием
основных законов электротехники, применением лицензионного программного
обеспечения, результатами энергетических обследований СХП.
Научная новизна работы.
§
Разработаны концепция, оригинальная структура и программа
управления автоматизированной информационной базы данных, включающей
эксплуатационно-технологические характеристики около 1000 разнообразных
современных моделей энергоустановок на ВИЭ.
§
Научно обоснована и разработана методика многокритериального
выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности эксплуатационнотехнологических
параметров,
отличающаяся
введением
вероятностных
характеристик, позволяющих повысить качество оценочных работ.
§
Разработан алгоритм эффективного электроснабжения СХП на основе
комбинированного применения ВИЭ и централизованной электрической сети,
позволяющий
максимально
использовать
потенциал
возобновляемых
энергоресурсов для выработки электроэнергии.
Новизна
научно-технических
решений
подтверждена
авторскими
свидетельствами.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Автоматизированная
информационная
база
данных,
методика
многокритериального выбора энергоустановок и научно-технические решения по
комбинированному применению ВИЭ и централизованной электрической сети
могут быть использованы при проектировании и модернизации систем
электроснабжения СХП.
Результаты диссертационных исследований использованы энергоаудиторской
компанией ООО «ЭнергоПрофит» (г. Нижний Новгород) при проведении
энергетических обследований и разработке рекомендаций по энергосбережению и
повышению эффективности систем электроснабжения ряда СХП Нижегородской
области.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при
чтении лекций для студентов электроэнергетических специальностей в
Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
4
Положения, выносимые на защиту:
•
автоматизированная информационная база данных по энергоустановкам
на ВИЭ, позволяющая оптимизировать выбор ЭУ при проектировании
(реконструкции) систем электроснабжения с ВИЭ;
•
результаты исследования эксплуатационно-технологических параметров
современных автономных энергоустановок на ВИЭ, определяющих эффективность
электроснабжения СХП;
•
методика выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности
эксплуатационно-технологических параметров, направленных на повышение
эффективности электроснабжения СХП;
•
научно-технические решения по применению ВИЭ для эффективного
электроснабжения на примере СХП животноводства, позволяющие максимально
использовать потенциал возобновляемых энергоресурсов для выработки
электроэнергии.
Личный вклад автора. Постановка и формализация задач исследований,
инструментальные исследования, математический и структурный анализ, разработка
теоретических и методических положений, программ на ЭВМ, методик и научнотехнических решений, анализ результатов, а также практические рекомендации.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты
диссертационной работы представлены на международных, всероссийских,
межрегиональных и региональных конференциях: региональных 28,29,32,34 НТК
«Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Н.Новгород, 2009,2010,2013,2015гг..);
XV, XVI, IXV, XX «Нижегородская сессия молодых ученых» (г. Н.Новгород,
2010,2011, 2014,2015гг..); 7,11 всероссийских научных молодежных школах с
международным участием «Возобновляемые источниками энергии» (МГУ имени
М.В. Ломоносова, г. Москва, 2010, 2014 гг..); IX Международной НТК студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014» (г. Иваново,2014 г); Международной
НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Фёдоровские чтения-2014» (г.
Москва,2014 г); Международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых
«Тимчуринские чтения» (г. Казань,2015г.); XV Международной молодежной НТК
«Будущее технической науки» (г.Н.Новгород, 2015 г.); форуме «Великие реки»
(г.Н.Новгород, 2015г.).
Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в
рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение о
предоставлении субсидии от 05.06.2014№14.577.21.0073 «Разработка научнотехнических решений по созданию гибридного источника электроэнергии на основе
ТОТЭ и системы накопления для ответственных потребителей», уникальный
идентификатор проекта RFMEFI57714X0073), а также ФЦП «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК от 25.08.2011 №16.516.11.6114
«Разработка технологии эффективного использования возобновляемых источников
энергии в локальной системе электроснабжения потребителей», ГК от 15.03.2013
№14.516.11.0006
«Разработка
технических
решений
для
создания
5
энергоэффективной системы электроснабжения автономного потребителя на основе
комбинированного использования возобновляемых источников энергии и устройств
оптимального управления»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы, в том
числе 5 в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий,
рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка использованных источников и двух приложений. Объем
диссертации составляет 154 стр., из которых 150 стр. основного текста, включая 73
рисунка, 13 таблиц. Список использованных источников содержит 194
наименований.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая
значимость работы, сформулированы цель и задачи исследования.
Первая глава посвящена исследованию особенностей электропотребления
сельскохозяйственных предприятий России и перспектив применения ВИЭ.
Проведена классификация СХП. По основным видам деятельности все СХП
России делятся на аграрные и агропромышленные, имеющие собственную
переработку с/х продукции; по отрасли с/х различают СХП растениеводства и
животноводства. В зависимости от суммарной установленной мощности
электроприемников ∑Руст можно выделить три класса СХП: 1) малой мощности
(∑Руст≤1МВт); 2) средней мощности (1МВт ≤∑Руст≤5МВт); 3) крупные СХП
(∑Руст>5МВт).
Проведен анализ систем электроснабжения СХП. Установлено, что число
уровней системы электроснабжения может составлять от трех (для малых СХП) до
шести (для крупных СХП). В системы электроснабжения малых и средних СХП
входят трансформаторные понижающие подстанции 6(10)/0,4; магистральные и
распределительные щиты 0,4 кВ; распределительные электрические сети
напряжением 0,38(6,10) кВ; электроприемники.
Энергоаудит ряда СХП Нижегородской области выявивил низкую
энергоэффективность обследованных предприятий (низкую электровооруженность,
высокие электроемкость и электрические потери, недоотпуск и низкое качество
электроэнергии). Большинство СХП имеют один источник питания. Физический
износ и низкая пропускная способность сельских распределительных электрических
сетей вызывают аварийные отключения и срыв технологических процессов
сельскохозяйственных производств (в среднем 100 ч/год), что приводит к
экономическому ущербу предприятий. Доля общих затрат на топливноэнергетические ресурсы (ТЭР) в стоимости произведенной продукции составляет
17-35%. Основная доля в балансе прямых затрат на ТЭР приходится на
электроэнергию. Исследования качества электрической энергии, получаемой от
централизованной электросети, показали, что на многих СХП отклонения
напряжения превышают предельно-допустимые значения (±10%), что нарушает
нормальную работу электроприемников и автоматизированных систем управления,
6
чувствительных к качеству электрической энергии, и приводит к срыву
технологических процессов.
Особенности географического расположения большинства СХП, а также
необходимость утилизации отходов производства определяют высокий потенциал
использования ВИЭ (энергии воды, солнца, ветра, биотоплива) для сельского
хозяйства. Применение комбинированных источников питания (ВИЭ и
централизованной электрической сети) в системах электроснабжения СХП
позволяет снизить потери в энергоустановках, что ведет к снижению потерь в
распределительной сети и электроприводах, повысить показатели качества
электроэнергии, влияющие на экономичность работы электроприемников,
обеспечить бесперебойность электроснабжения. Применение ВИЭ повысит
эффективность систем электроснабжения, что, в свою очередь, положительно
повлияет на показатели энергоэффективности СХП.
Проведен аналитический обзор публикаций, посвященных применению ВИЭ в
системах электроснабжения СХП. Поставлены цель, задачи диссертационного
исследования и дано их обоснование.
Вторая глава посвящена разработке автоматизированной информационной
базы данных по энергоустановкам (ЭУ) на ВИЭ и исследованию с ее помощью
влияния эксплуатационно-технологических параметров ЭУ на эффективность
электроснабжения СХП.
Автором разработана концепция автоматизированной информационной базы
данных (ИБД) по ЭУ на ВИЭ, в которой приведены требования к ее структуре,
наполнению, программному комплексу для управления данными. Структура ИБД
приведена на рис.1. Разработанная ИБД представлена широкой номенклатурой
современных энергоустановок (около 1000 моделей ВИЭ) и включает пять разделов:
1) биогазовые ЭУ с ДВС; 2) солнечные ЭУ; 3) ветровые ЭУ; 4) гидро-ЭУ; 5) ЭУ на
топливных элементах. В каждом разделе ИБД содержатся сведения по выпускаемым
в настоящее время моделям ЭУ, их эксплуатационно-технологическим параметрам,
а также производителям ЭУ.
Энергоустановки на возобновляемых источниках энергии
БГУ
СЭУ
ВЭУ
ГЭУ
УТЭ
Производители (отечественные, зарубежные)
Модели
Эксплуатационно-технологические параметры (технические, экономические, экологические)
1.Мощность номинал.
2.КПД электрический
3.КПД тепловой
4.Расход топлива
5.Выбросы загр. вещ.
6.Уровень шума
7.Ресурс
8.Масса
9. Стоимость и др.
1.Мощность номинал.
2.КПД
3.Рабочее напряжение
4.Рабочий ток
5.Напряжение Х.Х.
6.Ток К.З.
7.Площадь
8.Масса
9.Стоимость и др.
1.Мощность номинал.
2.КПД
3.Диаметр ветроколеса
4.Высота башни
5.Скорость ветра
6.Частота вращения
7.Зарядное напряжение
8.Масса.
9.Стоимость и др.
1.Мощность номинал.
2.КПД
3.Напор
4.Расход воды
5.Частота вращения
6. Напряжение ном.
7. Частота ном.
8.Масса
9. Стоимость и др.
1.Мощность номинал.
2.КПД электрический
3.КПД тепловой
4.Расход топлива
5.Выбросы загр. вещ.
6.Уровень шума
7.Напряжение ном.
8.Масса
9. Стоимость и др.
Рис.1. Структура информационной базы данных по ЭУ на ВИЭ
Для автоматизированной обработки информации, содержащейся в ИБД, на
языке DELPHI создан программный комплекс, обеспечивающий сортировку
7
информации по фирмам-производителям, типам энергоустановок и их
характеристикам, поиск, редактирование и статистическую обработку информации,
построение гистограмм, сравнительный анализ моделей энергоустановок.
Проведены исследования эксплуатационно-технологических параметров
солнечных, ветровых, биогазовых ЭУ, ЭУ на топливных элементах, определяющих
эффективность электроснабжения СХП. Для солнечных энергоустановок (СЭУ)
такими параметрами являются: КПД, величина рабочего напряжения, коэффициент
заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ), массогабаритные показатели.
Для ветровых энергоустановок (ВЭУ) – это: коэффициент использования энергии
ветра; диаметр ветроколеса; частота вращения ротора. Для биогазовых ЭУ с ДВС это: КПД, соотношение тепловой и электрической мощности, ресурс, эмиссия
парниковых газов.
Проведенный анализ эксплуатационно-технологических параметров СЭУ
показал, что СЭУ из монокристаллического кремния в сравнении с
поликристаллическими и аморфными типами имеют: больший КПД (рис.2а),
близость рабочего напряжения к напряжению холостого хода (рис.2б), более
высокий коэффициент заполнения ВАХ (рис.2в), меньшие массогабаритные
показатели.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Зависимость КПД фото-преобразовательного элемента (а), отношения рабочего
напряжения к напряжению холостого хода (б), коэффициента заполнения ВАХ (в), удельной
вырабатываемой мощности (г) от номинальной мощности СЭУ
монокристаллических (1), поликристаллических (2), аморфных (3) типов
8
Однако
стоимость
монокристаллических
СЭУ
выше,
чем
поликристаллических и аморфных типов. Также установлено, что одна мощная СЭУ
в сравнении с несколькими той же суммарной мощности имеет преимущество по
выработке электрической мощности на единицу площади (рис.2г) и меньшим
массогабаритным показателям.
Использование наиболее эффективных СЭУ позволит занимать меньшую
площадь, снизить нагрузку на строительные конструкции и уменьшить затраты на
работу электропривода при использовании систем слежения за Солнцем.
Сравнительный анализ горизонтально-осевых (ГО) и вертикально-осевых
(ВО) ВЭУ показал, что последние отличаются меньшим диаметром ветроколеса
(рис.3а), тихоходностью (рис.3б), не требуют устройств ориентации на ветер.
Коэффициенты использования энергии ветра ГО и ВО ВЭУ близки. Однако
стоимость ВО ВЭУ выше, чем ГО ВЭУ.
а)
б)
Рис. 3. Зависимость диаметра ветроколеса (а), частоты вращения ротора (б)
от номинальной мощности ВЭУ горизотально-осевых (1), вертикально-осевых (2) типов
Следует отметить, что несколько ВЭУ в сравнении с одной ВЭУ той же
суммарной мощности имеют преимущество по выработке электроэнергии за счет
большей ометаемой площади.
Использование наиболее эффективных ВЭУ позволит занимать меньшую
площадь территории, отводимую под строительство, вырабатывать больше
электроэнергии.
Сравнительный анализ биогазотурбинных ЭУ и биогазопоршневых ЭУ
показал, что последние имеют: больший электрический КПД (рис.4а), меньший
удельный расход биогаза (рис.4б), большую долю электрической мощности в общем
балансе когенерации (рис.4в), меньшие выбросы парниковых газов (рис.4г). При
этом стоимость биогазопоршневых ЭУ в 2-3 раза ниже стоимости
биогазотурбинных ЭУ, однако затраты на капитальный ремонт в 1,5-2 раза выше.
В настоящее время разработки установок на топливных элементах в основном
реализуются в виде пилотных проектов. Имеются единичные модели серийного
производства зарубежных производителей. При анализе эксплуатационнотехнологических параметров, определяющих эффективность функционирования
электротехнических комплексов, установлено, что ЭУ на твердо-оксидных
9
топливных элементах (ТОТЭ) более энергоэффективны и экологичны, чем
топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ). ТОТЭ имеют больший
электрический КПД, меньшие выбросы парниковых газов и уровень шума.
а)
б)
в)
г)
Рис. 4. Зависимость электрического КПД (а), удельного расхода биогаза (б), отношения тепловой и
электрической мощности (в), эмиссии парниковых газов (г) от номинальной мощности
биогазопоршневых (1) и биогазотурбинных (2) энергоустановок
Проведенные исследования и сравнительный анализ эксплуатационнотехнологических параметров энергоустановок на ВИЭ, влияющих на эффективность
электроснабжения СХП, позволили выявить ЭУ с наилучшими характеристиками и
сформулировать рекомендации по выбору типа и мощности энергоустановок на
ВИЭ при проектировании (реконструкции) систем электроснабжения СХП.
Третья глава посвящена разработке методики выбора энергоустановок на
ВИЭ
по
совокупности
эксплуатационно-технологических
параметров,
определяющих эффективность системы электроснабжения СХП.
Определены требования к разрабатываемой методике. На основе анализа
методов принятия решений определены подходы к отбору, сравнению и выбору
10
оптимального варианта ЭУ: на этапе отбора ЭУ использован метод Парето; на этапе
выбора ЭУ использован метод взвешенных сумм.
Суть разработанной методики заключается в определении оптимального
варианта модели ЭУ по максимальной совокупной оценке параметров Кj:
M
K j = ∑ k i ⋅Pij , i = 1,..., M , j = 1,..., N
i =1
(1)
где N – количество сравниваемых моделей энергоустановок; М – количество
сравниваемых разнородных параметров; Pij – приведенная оценка i-ого параметра jой модели энергоустановки, о.е.; ki – коэффициент ценности i-ого параметра.
Расчет приведенных оценок параметров, подверженных максимизации или
минимизации, проводится по выражениям:
pij

Pij = max , Рij → max
pij


min
P = pij , Р → min
ij
 ij
pij

(2)
где pij – абсолютное значение i-го параметра j-й модели; pmaxij,(pminij) – максимальное
(минимальное) абсолютное значение из перечня однородных i-х параметров j-х
моделей.
Для высокого качества оценочных работ необходимо несколько источников,
характеризующих сравниваемые параметры и уровень их влияния на эффективность
ЭУ. Средневзвешенный коэффициент ценности i-го параметра сравниваемых
моделей ЭУ определяется по выражению:
ki = (k1 + k2 + k3 ) / 3
(3)
где k1 – коэффициент ценности i-го параметра, полученный с применением метода
взвешенных сумм критериев; k2 – коэффициент ценности i-го параметра,
полученный в результате статистических исследований параметров ЭУ на ВИЭ; k3 –
коэффициент ценности i-го параметра, полученный на основе опросов экспертов.
Опрос экспертов не является обязательным. Эксперты расставляют
приоритеты по характеристикам в рамках перечня независимых коэффициентов
ценности. При отсутствии экспертных оценок средневзвешенный коэффициент
ценности i-го параметра сравниваемых моделей:
ki = (k1 + k2 ) / 2
(4)
Коэффициент ценности i-го параметра сравниваемых моделей, полученного с
применением метода взвешенных сумм критериев:
k1 =
ri
m
∑r
i =1
(5)
i
где m – количество величин разброса; ri – величина разброса i-го параметра (о.е.),
определяемая по выражению:
11
ri =
N
1
⋅ ∑ Pij − Pi , i = 1,..., M
N ⋅ Pi j =1
(3.6)
где Pi - средняя оценка i-го параметра, о.е.
1 N
Pi = ⋅ ∑ Pij , i = 1,..., M
N j =1
(3.7)
Коэффициент ценности i-го параметра, полученного на основе статистических
исследований:
k2 =
(1 − qi )
M
∑ (1− q )
i =1
(3.8)
i
где qi – вероятность совпадения величин по i-ому параметру ЭУ.
В итоге оптимальной считается модель ЭУ с наибольшим значением Kj.
Разработанная методика позволяет определить оптимальный вариант
энергоустановок на ВИЭ по совокупности эксплуатационно-технологических
параметров. Применение методики рассмотрено на примере выбора
биогазопоршневой ЭУ мощностью 100 кВт из 5 альтернатив по совокупности 6
параметров.
Четвертая глава посвящена разработке научно-технических решений по
применению ВИЭ для эффективного электроснабжения СХП животноводства.
Исследования проводились на примере СПК «Ждановский» Нижегородской
области, специализирующегося на производстве молока. Электроснабжение СХП
осуществляется от одного источника – масляного трансформатора типа ТМ-400/
6/0,4кВ, подключенного к централизованной (районной) электрической сети.
Перерыв электроснабжения в результате аварийных отключений приводит к срыву
технологических процессов СХП: изменению микроклимата в животноводческих
помещениях, нарушению процессов доения, кормления, что наносит ущерб
предприятию. Поэтому для электроснабжения СХП требуются дополнительные
источники энергии.
Исследования энергетического потенциала местных ВИЭ показали, что
дневная сумма солнечной радиации в весенне-летний период и потенциал суточной
выработки биогаза делают перспективным для электроснабжения СХП применение
биогазовой (БГУ) и солнечной (СЭУ) энергоустановок.
Проведенные исследования суточных графиков электрических нагрузок СХП
и режимов работы ЭУ на ВИЭ показали, что выработка и потребление
электроэнергии согласуются не в полной мере. Поэтому, для согласования режимов
производства и потребления электроэнергии необходимы буферные накопители
(БНЭ),
использование
которых
позволяет
повысить
маневренность
электротехнических комплексов, снизить расход топлива (биогаза) и увеличить
ресурс ЭУ на ВИЭ (рис.5).
Использование биогаза возможно как в мини-ТЭЦ с газопоршневыми (ГПУ)
или газотурбинными энергоустановками (ГТУ), так и в мини-ТЭЦ с топливными
элементами на расплаве карбонатов (РКТЭ) или твердо-оксидными (ТОТЭ).
Установлено, что применение биогазовых мини-ТЭЦ с ГПУ более
12
энергоэффективно и экологично по сравнению
энергоэффективны и экологичны, чем РКТЭ.
с
ГТУ,
а
ТОТЭ
более
Рис. 5. Суточный график электрической нагрузки (август) СХП животноводства на 1130 голов
КРС и режимы работы разнородных источников энергии: 1 – режим заряда БНЭ от БГЭУ; 2 – режим
потребления ЭЭ от БНЭ, СЭУ и ЦЭС (при необходимости); 3 – режим заряда БНЭ от СЭУ; 4 – режим
потребления ЭЭ от БГЭУ
Параллельная работа ВИЭ и централизованной электрической сети требует
согласования выходных параметров и режимов работы энергоустановок.
Сравнительный анализ наиболее применяемых в настоящее время схем сопряжения
разнородных источников энергии выявил преимущества двух вариантов схемы
электроснабжения рассматриваемого СХП в зависимости от типа энергоустановок
для мини-ТЭЦ (рис.6).
а)
б)
Рис. 6 Схемы интеграции ВИЭ и ЦЭС при использовании биогазовых мини-ТЭЦ с
газопоршневыми установками (а) и ТОТЭ (б): ШПТ – шина постоянного тока
13
В схемах с ГПУ преимущество имеет схема, где объединение СЭУ с БНЭ и
параллельная работа СЭУ с БГПУ выполняются на переменном токе (рис.6,а). В
схеме отсутствует лишняя ступень преобразования электроэнергии от ГПУ, что
повышает КПД и надежность электроснабжения, а так же дает возможность избыток
электроэнергии использовать БНЭ.
Установлено, что использование энергоустановок на ТОТЭ является более
эффективным решением выработки электроэнергии из биогаза. Электрический КПД
энергоустановок на ТОТЭ выше в 1,5-2 раза, чем биогазопоршневых
энергоустановок. Из-за отсутствия непосредственного химического контакта
топлива с окислителем количество парниковых газов ЭУ на ТОТЭ ниже до 2 раз,
чем биогазопоршневых ЭУ, и до 20 раз, чем при обычной системе хранения навоза.
При интеграции ЭУ на ТОТЭ и ЦЭС оптимальной является схема сопряжения ВИЭ
на постоянном токе (рис.6,б), позволяющая использовать избыток мощности от ЭУ
на ТОТЭ буферными НЭ без дополнительных потерь вырабатываемой мощности на
преобразование.
Однако, несмотря на явные преимущества, ЭУ на ТОТЭ имеют ряд
существенных недостатков, таких как низкая маневренность, сложность технологии
производства, дороговизна применяемых материалов и др. Это сдерживает их
широкое применение в электроэнергетике. В Нижегородском государственном
техническом университете им. Р.Е. Алексеева проблема низкой маневренности
решается применением в сочетании с ТОТЭ гибридного накопителя энергии
Гибридный накопитель электроэнергии состоит из аккумуляторной батареи и
емкостного накопителя. Емкостный накопитель
предназначен для питания пиковых нагрузок и
является практически идеальным источником
напряжения.
Автором разработан алгоритм распределения
потоков электроэнергии между системой генерации,
элементами
накопителя
и
нагрузкой
при
параллельном режиме работы ЭУ на ВИЭ и ЦЭС,
блок-схема которого приведена на рис.7.
При РВИЭ≥РН необходимость в подключении
системы электроснабжения к централизованной
электрической сети отсутствует.
Если
разность
между
генерируемой
мощностью РВИЭ и мощностью нагрузки РН
превышает мощность, необходимую для заряда
накопителей
электроэнергии
(Рз),
избыток
электроэнергии растрачивается на балластную
нагрузку, тепло от которой может использоваться для
нагрева воды (РБ). Если разность между РВИЭ и РН
меньше мощности, необходимой для заряда
накопителей электроэнергии, то текущее значение
заряда повышается на величину РЗНЭ.
14
Если РВИЭ<РН, то проводится сравнение величины мощности накопителя
электроэнергии и величины дефицита мощности. При РНЭ≥РН-РВИЭ дефицит
мощности нагрузки компенсируется накопителями электроэнергии. При РНЭ<РНРВИЭ на систему управления подается сигнал о необходимости подключения
системы электроснабжения к источнику ЦЭС.
Проведен анализ технико-экономической эффективности применения
биогазовых мини-ТЭЦ для электроснабжения СХП животноводства.
Использование разработанных принципов, подходов, научно-технических
решений по применению ВИЭ при проектировании
электротехнических
комплексов СХП, а также алгоритм распределения потоков электроэнергии
позволят обеспечить эффективное, качественное и бесперебойное электроснабжение
сельскохозяйственных предприятий России.
Основные выводы и результаты работы
В диссертационной работе решена задача применения возобновляемых
источников
электроэнергии
для
эффективного
электроснабжения
сельскохозяйственных предприятий России. При этом получены следующие
научные и практические результаты:
1.
Проведены классификация, анализ систем электроснабжения и
исследование энергоэффективности СХП. Выявлены проблемы низкой
электровооруженности (в 2-3 раза ниже по сравнению с промышленно развитыми
странами), высокой энергоемкости (17-35% доля общих затрат на ТЭР), низкого
качества поставляемой электроэнергии (отклонение напряжения > ±10%), высокой
аварийности (в среднем 100 ч/год для одного предприятия).
2. Разработаны концепция, структура и программа управления
автоматизированной информационной базы данных, содержащей эксплуатационнотехнологические характеристики около 1000 современных моделей энергоустановок
на ВИЭ, обеспечивающей поиск, редактирование и статистическую обработку
информации, построение гистограмм, сравнительный анализ моделей ЭУ,
позволяющей оптимизировать выбор ЭУ при проектировании (реконструкции)
систем электроснабжения с ВИЭ. На разработанную автоматизированную
информационную базу данных получены свидетельства о государственной
регистрации базы данных и программы на ЭВМ.
3.
С использованием автоматизированной базы данных проведены
исследования характеристик солнечных, ветровых, биогазовых ЭУ, ЭУ на
топливных элементах. Сравнительный анализ эксплуатационно-технологических
параметров, определяющих эффективность систем электроснабжения СХП,
позволил выявить наиболее эффективные энергоустановки и сформулировать
рекомендации по выбору типа и мощности энергоустановок на ВИЭ при
проектировании (реконструкции) систем электроснабжения СХП.
4. Предложен многокритериальный подход к выбору ВИЭ, на основе которого
разработана методика выбора ЭУ на ВИЭ по совокупности эксплуатационнотехнологических
параметров,
отличающаяся
введением
вероятностных
характеристик, позволяющая повысить качество оценки.
15
5. Предложены и обоснованы научно-технические решения по применению
ВИЭ для эффективного электроснабжения СХП на примере СХП животноводства
Нижегородской области, специализирующегося на производстве молока: принципы
и подходы к выбору типа ВИЭ и схемы электроснабжения, учитывающие график
электрической нагрузки СХП, потенциал местных возобновляемых энергоресурсов,
режимы работы ЭУ на ВИЭ.
6. Разработан алгоритм распределения потоков электроэнергии между
системой генерации, элементами накопителя и нагрузкой при параллельном режиме
работы ЭУ на ВИЭ и централизованной электрической сети, позволяющий
максимально использовать электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ.
Основное содержание диссертации отражено в публикациях:
Статьи из перечня рецензируемых научных изданий ВАК РФ
1.
Филатов, Д.А. Применение энергоустановок на основе твердо-оксидных
топливных элементов для повышения эффективности функционирования
электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий / Е.Н. Соснина,
Д.А. Филатов, Н.Н. Вихорев // Инженерный вестник Дона. 2015. -№4. URL:
http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3310.
2.
Филатов, Д.А. Выбор энергоустановок на ВИЭ для электроснабжения
сельскохозяйственных предприятий / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов // Вестник БГТУ
им. В.Г. Шухова. 2015. -№4. – С. 156-159.
3.
Филатов,
Д.А.
Исследование
эксплуатационно-технологических
параметров энергоустановок на возобновляемых источниках энергии / Е.Н. Соснина,
Д.А. Филатов // Инженерный вестник Дона. 2015. -№2 ч.2. URL:
http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3025.
4.
Соснина, Е.Н. Влияние вида топлива мини-ТЭЦ на эмиссию парниковых
газов / Е.Н. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин, Д.А.Филатов
//
Фундаментальные исследования. 2013. -№6 (ч.1). -С.72-75.
5.
Соснина, Е.Н. Экологическое воздействие мини-ТЭЦ с газопоршневыми
и дизельными двигателями на окружающую среду / Е.Н. Соснина, О.В. Маслеева,
Г.В. Пачурин, Д.А.Филатов // Фундаментальные исследования. 2013. -№6 (ч.1). –
С.76-80.
Свидетельства
6. Свидетельство о гос. регистрации базы данных №2014620332. База данных
энергоустановок на возобновляемых источниках энергии / Соснина Е.Н., Филатов
Д.А., Сушенок Д.А. - №2013621802; заявл.30.12.2013.
7. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2013617735.
Автоматизированная система поиска энергоустановок на возобновляемых
источниках энергии / Соснина Е.Н., Филатов Д.А., Сушенок Д.А. - №2013615368;
заявл.27.06.2013.
Статьи, опубликованные в других изданиях
8.
Filatov, D. Use of Renewable Energy Resources to Power an Agricultural
Enterprise in Russia / Sosnina E., Shalukho A., Filatov D., Kryukov E. // International
journal of renewable energy research. 2015. –Vol. 5. –No 3. -рp. 896-902.
16
9.
Соснина, Е.Н. Воздействие возобновляемых источников энергии на
окружающую среду / Е.Н. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин, А.Ю. Кечкин,
Д.А. Филатов // Инфраструктурные отрасли: проблемы и перспективы развития
(транспорт, энергетика, коммуникации), 2014. –С. 88-106.
10. Соснина, Е.Н. Разработка базы данных по альтернативным источникам
электроэнергии / Е.Н. Соснина, А.А. Петров, Д.А. Филатов // Актуальные проблемы
электроэнергетики: материалы научно-технической конференции / НГТУ. –
Н.Новгород, 2009. С. 183-188.
11. Соснина, Е.Н. Разработка и анализ базы данных по возобновляемым
источникам энергии (раздел «Ветроэнергетические установки») / Е.Н. Соснина, Д.А.
Филатов // Возобновляемые источники энергии: материалы всерос. научной
молодежной школы с международным участием / МГУ. – Москва, 2010. С. 357-360.
12. Соснина, Е.Н. База данных по новым и возобновляемым источникам
энергии / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов // Актуальные проблемы электроэнергетики:
материалы научно-технической конференции / НГТУ. – Н.Новгород, 2010. С. 125128.
13. Соснина, Е.Н. Создание базы данных по альтернативным источникам
энергии для эффективного электроснабжения потребителей / Е.Н. Соснина,
Д.А. Филатов // Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки:
материалы докладов / Н.Новгород, 2011. С. 397-401.
14. Соснина, Е.Н. Разработка автоматизированной базы данных по
возобновляемым источникам энергии в контексте развития интеллектуальных
электрических сетей / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов, Р.Ш. Бедретдинов//
Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докладов /
Н.Новгород, 2012. С. 191-196.
15. Соснина, Е.Н. Разработка методики сравнительного анализа
энергоустановок на возобновляемых источниках энергии / Е.Н. Соснина, Д.А.
Филатов // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научнотехнической конференции / НГТУ. – Н.Новгород, 2013. С. 87-91.
16. Филатов, Д.А. Автоматизированная информационная база данных
энергоустановок на возобновляемых источниках энергии / Е.Н. Соснина, Д.А.
Филатов // Труды Нижегородского государственного технического университета им.
Р.Е. Алексеева. 2014. № 1. -С. 194-199.
17. Филатов,
Д.А.
Выбор
электротехнических
комплексов
с
энергоустановками на ВИЭ / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов // Энергия-2014:
материалы международной научно-технической конференции / ИГЭУ. – Иваново,
2014. -С. 127-130.
18. Филатов, Д.А. Разработка и применение методики комплексной оценки
энергоустановок на ВИЭ / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов // Нижегородская сессия
молодых ученых. Технические науки: материалы докладов / Н.Новгород, 2014. -С.
265-268.
19. Филатов, Д.А. К вопросу о выборе энергоустановок на возобновляемых
источниках энергии для системы электроснабжения сельскохозяйственных
предприятий / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов // Возобновляемые источники энергии:
17
материалы всерос. научной молодежной школы с международным участием / МГУ.
– Москва, 2014. –С. 436-442.
20. Филатов, Д.А. Оценка эффективности электротехнических комплексов
на возобновляемых источниках энергии с применением многокритериальной теории
полезности / Е.Н. Соснина, Д.А. Филатов // Федоровские чтения 2014: материалы
международной научно-практической конференции / МЭИ – Москва, 2014. -С.147150.
21. Соснина, Е.Н. Вопросы электроснабжения потребителей, удаленных от
сетевой инфраструктуры / Е.Н. Соснина, А.Ю. Кечкин, Д.А. Филатов // Труды
Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
2014. № 5(107). -С. 100-105.
22. Филатов,
Д.А
О
повышении
энергоэффективности
сельскохозяйственных предприятий / Д.А. Филатов, Е.Н. Соснина // Тимчуринские
чтения 2015: материалы всерос. научно практической конференции / КГЭУ –
Казань, 2015. –С. 163-164.
23. Филатов, Д.А. О повышении энергоэффективности электротехнических
комплексов сельскохозяйственных предприятий / Д.А. Филатов, Е.Н. Соснина //
Будущее технической науки: материалы междунар. молодеж. Научно-технической
конференции/ НГТУ – Н.Новгород, 2015.
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа