Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время наиболее изученными и обоснованными являются вопросы проектирования, эксплуатации и работы солнечных электростанций, подключенных к ЕЭС страны и вырабатывающих электрическую энергию в промышленных масштабах. Однако, многие практики, ученые и исследователи, главным препятствием на пути широкого и повсеместного внедрения фотоэлектрических установок считают высокую себестоимость вырабатываемого киловатт-часа электрической энергии, и утверждают, что одним из способов её снижения является использование установок небольшой мощности работающих, как на централизованную сеть, так и в автономном режиме, и применяемых для нужд коммунально-бытовых потребителей, небольших промышленных предприятий, объектов сферы услуг и здравоохранения, обеспечивая энергией рекреационные зоны и удаленные объекты. Большинство из перечисленных объектов, требующих бесперебойного и качественного электроснабжения, а также чувствительно реагирующих на повышение тарифов на электрическую энергию, расположено на сельских территориях. Сезонность работы многих из них также позволяет говорить о перспективности их включения в небольшие по конфигурации системы с источниками генерации на основе фотовольтаического преобразования солнечной энергии.
Согласование графиков генерации и потребления электрической энергии чаще всего осуществляется путем введения в состав солнечной электростанции аккумулирующих установок или дополнительного генерирующего оборудования, или организуя сброс избытка выработанной электроэнергии в сеть. Это всё приводит к существенному удорожанию стоимости проекта, что в некоторых случаях составляет двух и трехкратное увеличение материальных затрат, и делает преобразование солнечной энергии в электрическую экономически нецелесообразным.
В настоящее время не существует научно обоснованного подхода к выбору компоновки и обоснованию элементного состава солнечной электростанции или отдельных фотоэлектрических установок, работающих по принципу сближения графика генерации и графика нагрузки потребителя.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам изучения оценки потенциала солнечной энергии посвящены работы Ю.Д. Арбузова, Е.С. Аро-новой, П.П. Безруких, Т.Г. Берлянда, В.И. Виссарионова, Г.В. Дерюгиной, В.М. Евдокимова, С.В. Киселевой, З.И. Пивоваровой, О.С. Попеля, А.А. Соловьева, В.С. Стадника, Д.С. Стребкова, М.Г. Тягунова, С.Е. Фрида и др., в которых достаточно досконально проработаны методики оценки инсоляции, а итоговые результаты представлены в виде таблиц, диаграмм, карт территорий. Но в тоже время отсутствует полный массив данных для оценки прихода потока солнечной радиации на приемную поверхность в точке с конкретными географическими коор-
динатами. Кроме того, расчетные модели требуют объемных расчетов и существенных затрат времени.
Существенный вклад в изучение и обоснование структуры и принципов построения фотоэлектрических установок внесли следующие ученые и исследователи: Р.А. Амерханов, С.А. Андреев, П.П. Безруких, В.А. Бутузов, О.В. Григораш, В.В. Елистратов, С.М. Карабанов, Б.В. Лукутин, В.Т. Тайсаевой, Б.В. Тарнижев-ского, И.И. Тюхова, М.Г Тягунов, Д.С. Стребков, В.В. Харченко, Н.В. Харченко и др.
Функционирование фотоэлектрических установок возможно как при их подключении к общей централизованной сети, так и в автономном режиме. Для согласованной работы генерирующих установок с потребителем особое внимание следует уделять сменным, суточным и годовым графикам нагрузки. Вопросам оценки графиков потребления сельскохозяйственных объектов были посвящены работы В.И. Будзко, В.Ю. Гессена, Н.М. Зуля, Т.Б. Лещинской, П.Я. Пирхавка, В.И. Сукманова, Д.Л. Файбисовича и др. В трудах этих ученых графики нагрузок рассматриваются с точки зрения построения системы электроснабжения отдельных объектов и территории в целом, но не всегда учитываются вопросы согласования (максимального сближения) графиков потребления и выработки электрической энергии на этапе выбора и обоснования параметров электростанций малой мощности, в том числе и фотоэлектрических установок.
Анализ степени проработанности вопросов оценки солнечного потенциала, построения и функционирования фотоэлектрических установок, а также особенностей графиков нагрузки сельхозтоваропроизводителей с учетом ранее обоснованной актуальности позволяет сформулировать цель и задачи исследования.
Цель исследования – обосновать структуру и принципы построения фотоэлектрических установок для электроснабжения сельскохозяйственных объектов, обеспечивающих максимальное приближение графика генерации к графику нагрузки.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Разработать метод экспресс-оценки потенциала солнечной энергии, дающий возможность достоверно определить интенсивность солнечного излучения при проектировании фотоэлектрических установок, размещаемых на территориях, не обеспеченных в полном объеме актинометрическими данными.
-
Оценить влияние пространственной ориентации фотоэлектрического модуля на абсолютное значение и временное расположение часового максимума выработки электрической энергии.
3. Проанализировать типовые суточные графики электрических нагрузок
сельскохозяйственного объектов, выявить закономерности их изменения в тече-
ние суток и обосновать применение фотоэлектрических установок для электроснабжения рассматриваемых объектов.
4. Разработать методологию способа размещения, компоновки и простран
ственной ориентации модулей фотоэлектрической установки для электроснабже
ния сельскохозяйственных объектов, обеспечивающую максимальное сближение
графика генерации и потребления электрической энергии.
5. Провести технико-экономическую оценку предлагаемых технических
решений для различных вариантов сочетания генерируемой мощности фотоэлек
трических установок и графиков нагрузки сельскохозяйственных объектов.
Объект исследования: процесс выработки электрической энергии солнечной электростанцией и меры, обеспечивающие возможности получения графика выработки электрической энергии, необходимого для покрытия конкретного графика нагрузки сельскохозяйственного потребителя при различной пространственной ориентации фотоэлектрических модулей, отличающихся по своей мощности.
Предмет исследования: методы оценки потенциала солнечной энергии; взаимосвязь значения и времени наступления часового максимума выработки электрической энергии от пространственной ориентации фотоэлектрических модулей; режимы работы фотоэлектрической установки и потребителей, подключенных к ней.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработан метод экспресс-оценки потенциала солнечной энергии в конкретно задаваемой географической точке на территориях, не обеспеченных данными метеонаблюдений;
– разработана методика обоснования возможности управления генерацией фотоэлектрической установки путем варьирования пространственной ориентации фотоэлектрических модулей;
– разработаны методика расчета и способ компоновки фотоэлектрической установки, обеспечивающих максимальное сближение графика генерации и потребления электрической энергии конкретного сельскохозяйственного объекта.
Теоретическая и практическая значимость работы. В диссертационной работе проведен анализ и систематизация типовых графиков нагрузки сельскохозяйственных потребителей для использования в качестве исходных данных для проектирования солнечных энергетических установок; предложен оригинальный способ компоновки фотоэлектрической установки, позволяющий максимально реализовать поступающее солнечное излучение в заданной географической точке, обеспечивающий простоту конструкции и удобство обслуживания фотоэлектрических модулей, а также экономически целесообразную выработку электрической энергии и снижение потребления энергии из электрической сети при работе с
централизованной энергосистемой; проведены обзор, анализ и систематизация технико-экономических параметров элементной базы компонентов фотоэлектрической установки, представленных на отечественном рынке для использования в установках электроснабжения сельскохозяйственных потребителей; разработаны программы для ЭВМ, позволяющие упростить и ускорить выполнение расчетов при проектировании фотоэлектрических станций и установок; получен патент РФ на способ компоновки и пространственной ориентации фотоэлектрических модулей.
Новизна технических решений подтверждена 3 свидетельствами о регистрации программы ЭВМ и патентом РФ на изобретение.
Результаты исследования приняты к внедрению ООО «Ростовремагропром» (г. Зерноград, Ростовская область). Материалы научных исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина», ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия», филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Волжском.
Методология и методика исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались: методы математического моделирования с применением программного обеспечения MathCAD; методы разработки алгоритмов программирования на языках Visual Basic и MS Excel; метод выполнения приземных метеорологических измерений и наблюдений; методика проведения исследований по изучению параметров и режимов эксплуатации фотоэлектрических модулей.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработанный метод экспресс-оценки потенциала обеспечивает возмож
ность получения достоверных данных об интенсивности солнечной радиации, не
обходимых при проектировании фотоэлектрической установки с заданными па
раметрами, в конкретной географической точке в условиях отсутствия или недо
статочности данных метеонаблюдений.
2. Изменение пространственной ориентации фотоэлектрических модулей
может быть использовано как способ формирования графика генерации электри
ческой энергии фотоэлектрической установкой.
3. Разработанная методика расчета и способ компоновки фотоэлектрической
установки позволяют решить задачу электроснабжения сельскохозяйственного
объекта в соответствии с заданным графиком его нагрузки.
Достоверность научных результатов и выводов. Достоверность научных положений, теоретических выводов и практических рекомендаций диссертационной работы подтверждается сопоставлением полученных результатов с аналогичными результатами других авторов, данными различных источников актиномет-рической информации, результатами экспериментальных исследований.
Апробация работы. Результаты выполненной работы представлялись, до
кладывались и обсуждались на следующих междунарожннаучно-практических
(НПК) и научно-технических (НТК) конференциях и всероссийских: «Возобнов
ляемая и малая энергетика на сельских территориях, рекреационных зонах и уда
ленных объектах. Энергосберегающие технологии» в рамках Агропромышленно
го форума юга России (5 марта 2015 г. и 1 марта 2017 г., г. Ростов-на-Дону, Рос
сия); «Инновации в сельском хозяйстве» (15-16 декабря 2015 г. и 12-13 декабря
2017 г., ФГБНУ ВИЭСХ и ФНАЦ ВИМ, г. Москва, Россия); «Инновационные до
стижения науки и техники как основа модернизации АПК» (2-4 февраля 2016 г.,
АЧИИ ФГБОУ ВО «Донской ГАУ», г. Зерноград, Россия); «Энергообеспечение и
энергосбережение в сельском хозяйстве» (24-25 мая 2016 г, ФГБНУ ВИЭСХ, г.
Москва, Россия), «Возобновляемая и малая энергетика-2016», посвященная 150-
летию Основания Русского технического общества (7-8 июня 2016 г., г. Москва,
Россия); «Energy Of Moldova – 2016: Regional aspects of development» (September
29 – October 01 2016, Chisinau, Republic of Moldova); X Научная молодежная шко
ла (10-13 октября 2016 г., МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия); «Indus
trial Technologies and Engineering» ICITE – 2016 (October 28-29 2016, Shymkent,
Kazakhstan); «Проблемы практической реализации разработок по приоритетным
направлениям развития науки и технологий» (10-11 ноября 2016 г., Минобрнауки
РФ, г. Москва, Россия); EMASS2016 (November 20-21, 2016, Beijing, China);
«Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-
энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве» (8-9 декабря 2016 г. и 7-8 декабря 2017 г., ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет» г. Казань, Россия); «Инновации в сельском хозяйстве» (13-14 декабря 2016 г., ФГБНУ ВИЭСХ, г. Москва, Россия); «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (15-16 марта 2018 г., ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», Москва, Россия).
Публикации. По результатам исследований получены 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и патент РФ на изобретение, опубликованы 22 печатных работы, в том числе 5 в издании, индексируемых в международных базах WoS и Scopus, 3 в изданиях рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и семи приложений, изложенных на 225 страницах машинописного текста, содержащего 90 иллюстраций, 28 таблицы, и список использованной литературы из 245 наименования.