Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса в области энергоснабжения лесных пасек 9
1.1 Характеристика лесных пасечных хозяйств 9
1.2 Исследование в области энергоснабжения лесных пасек 11
1.3 Исследование потенциала возобновляемых источников энергии 18
1.4 Методология научных исследований в области систем автономного энергообеспечения на базе ВИЭ 23
1.5 Выводы 25
2 Математическое моделирование и оптимизация параметров системы энергообеспечения лесных пасек на базе комбинированной с ветроэлетрогенератором гелиоустановки 27
2.1 Обоснование структуры комплекса 27
2.2 Описание методики моделирования функционирования комплекса 30
2.3 Математическая модель функционирования комплекса 33
2.4 Результаты численного моделирования функционирования комплекса 47
2.5 Обоснование критериев эффективности и оптимизируемых параметров 50
2.6 Обоснование целевых функций оптимизации комплекса 54
2.7 Исследование в области номинальных рядов ВЭУ, ФМ, СК, АКБ, ТА 55
2.8 Описание процесса оптимизации 66
2.9 Пример результатов оптимизации
2.10 Комплексы на базе комбинированных гелиоустановок 74
2.11 Вывод 80
3 Экспериментальные исследования 81
3.1 Условия и задачи экспериментальных исследований 81
3.2 Описание экспериментального образца 81
3.3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.4 Вывод 91
4 Анализ результатов экспериментальных исследований 92
4.1 Анализ результатов полигонных экспериментальных исследований 92
4.2 Вывод 104
5 Оценка экономической эффективности применения комплекса на базе комбинированной гелиоустановки 105
Заключение
Список литературы
- Исследование потенциала возобновляемых источников энергии
- Описание методики моделирования функционирования комплекса
- Программа и методика экспериментальных исследований
- Оценка экономической эффективности применения комплекса на базе комбинированной гелиоустановки
Исследование потенциала возобновляемых источников энергии
Ветроколесо преобразует поступательное движение воздушной массы во вращательное, которое затем передается на генератор, где идет преобразование механической энергии в электрическую [46]. Ветроустановки с горизонтальной осью вращения называются лифт-машины и приводятся в действие подъемной силой. Быстроходные установки (число лопастей не превышает 4) развивают максимальный момент при больших оборотах, при значительной скорости ветра. Они характеризуются устойчивостью к флуктуации скорости ветра [47].
Среднескоростные ветроустановки развивают значительный момент при относительно слабом ветре, но более чувствительны к флуктуации скорости ветра, чем быстроходные.
Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения используют силу сопротивления (драг-машины), и вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра. Также бывают и лифт-машины, которые приводятся во вращение подъемной силой (ротор Дарье). Ветроэлектрические генераторы с вертикальной осью вращения при любом направлении ветра находятся в рабочем положении [48]. Это является преимуществом по отношению к ветроэнергетическим установкам с горизонтальной осью вращения [49]. Достоинствами данного типа ветроустановок являются также простота конструкции, удобство обслуживания, широкий диапазон рабочих скоростей ветра. К недостаткам вертикальных ветроэлектрогенераторов относится пульсация крутящего момента, которая приводит к флуктуации значений выходных параметров генератора [50, 51, 52, 53, 54].
Хотя выработка электрической энергии ветроэлектрогенераторами зависит от скорости ветра и, следовательно, является флуктуирующей величиной, по мнению специалистов, комбинирование трансформаторов энергии ветра с другими преобразователями возобновляемой энергии (например, фотоэлектрическими модулями) является перспективным направлением энергоснабжения небольших автономных потребителей [55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62].
В отношении энергии биотоплива следует отметить особенность, заключающуюся в необходимости транспортировки и хранения топлива. В контексте пасечных хозяйств вышеприведенная особенность создает ряд дополнительных задач: - создание надлежащих условий для хранения биотоплива; - перевод топливных электростанций на биотопливо; - борьба с шумом при работе топливной энергоустановки и выбросами пахнущих и не имеющих запаха вредных веществ.
Кроме того, следует также учитывать, что в сельском хозяйстве биомасса в качестве отходов животноводства и растениеводства традиционно используется в качестве удобрений [29]. Это приводит к необходимости в приобретении биотоплива у производителей, поскольку занятие растениеводством и животноводством не характерно для владельцев лесных пасек. Использование энергии ветра и солнечного излучения не связано с решением широкого спектра задач, характерных для биотопливных энергоустановок, что обуславливает перспективность применения данных видов возобновляемой энергии для энергоснабжения лесных пасек.
В технической литературе используются следующие определения ресурсов (потенциала) возобновляемых источников энергии: Валовый потенциал ВИЭ - годовой объем энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном ее превращении в полезно используемую энергию. Технический потенциал - часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств.
Экономический потенциал - часть технического потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и т.д. При рассмотрении потенциала энергии ветра и солнечного излучения в дальнейшем будет рассматриваться валовый потенциал, поскольку он является наиболее удобным для оценки возможности применения соответствующих видов ВИЭ в системах энергоснабжения пасечных хозяйств.
Солнечное излучение характеризуется широким диапазоном - от радиоволн до гамма-излучения [63]. На расстоянии 1 а.е. от Солнца плотность потока его излучения составляет 1360 Вт/м . Приблизительное распределение энергетического потока солнечного излучения по различным спектральным диапазонам приведено в таблице 1.2 [47].
Распределение энергетического потока солнечного излучения по различным спектральным диапазонам Наименование параметра Значение Инфракрасный диапазон и более длинные волны (f 400 ТГц, Х 750 нм) 46,3% Видимый спектр (400 ТГц f 750 ТГц, 400 нм \ 750 нм) 44,6% Ультрафиолетовое излучение и более высокие частоты (f 750 ТГц, Х 400 нм) 9,1% Следует отметить, что значительная часть энергии солнечного излучения задерживается в атмосфере Земли, и поток солнечного излучения на поверхности составляет от 0,2 до 1 кВт/м и во многом зависит от величин случайных факторов. Так, мощность потока солнечного излучения зависит от времени года и суток, географического местоположения, состояния атмосферы, погодных условий и т.д.
Солнечная энергия достигает атмосферы в виде направленного потока солнечного космического излучения. Затем солнечное излучение в атмосфере частично поглощается, преломляется, отражается и проходит к земной поверхности, где происходит частичное поглощение солнечного излучения земной поверхностью, а также отражение солнечных лучей. Отраженные и преломленные лучи имеют свои источники испускания, рассредоточенные по всему освещенному объему атмосферы. Таким образом, на поверхности регистрируется как прямой поток, так и рассеянное атмосферой излучение.
Описание методики моделирования функционирования комплекса
На рисунке 2.9 представлены: а) график изменения температуры теплоносителя теплового аккумулятора; б) график изменения напряжения на выводах АКБ; в) графики изменения мощности ветроэлектрической установки и фотоэлектрического модуля; г) график изменения потребления электрической энергии.
Анализируя вышеприведенные графики изменения значений энергетических параметров комплекса можно сделать выводы: -минимум значений температуры теплоносителя теплового аккумулятора приходится на декабрь, что обусловлено минимальными значениями длительности светового дня и инсоляции для данного месяца; - напряжение на выводах аккумуляторной батареи не снижается ниже 12,38 (30% степени разряженности АКБ) в течение периода моделирования; -минимум значений мощности фотоэлектрического модуля (13,5 Вт) приходится на декабрь, что обусловлено минимальным значением инсоляции для данного месяца; -мощность ветроэлектрической установки на протяжении периода моделирования колебалась в диапазоне от 27,8 до 32,2 Вт; -минимальное значение электрической нагрузки (499,42 Вт-ч) приходится на декабрь, что обусловлено минимальным значением длительности светового дня, а значит, минимальным временем работы наиболее мощного электроприемника в комплексе - циркуляционного насоса в контуре «солнечный коллектор - тепловой аккумулятор».
Характерной особенностью автономных энергогенерирующих комплексов, использующих потоки возобновляемой энергии, является неуправляемость первичного источника энергии. Это обуславливает применение резервирующих источников энергии, а также аккумулирования энергии для обеспечения достаточного уровня надежности энергоснабжения, что приводит к усложнению структуры энергогенерирующих комплексов. При этом следует отметить, что технические параметры отдельных элементов автономных комплексов (трансформаторов возобновляемой энергии, аккумуляторов, резервных источников энергии) находятся в противоречии друг с другом. Данное обстоятельство является предпосылкой к поиску оптимальных значений технических параметров отдельных изделий в составе энергогенерирующих комплексов, обеспечивающих их максимальную эффективность [95]. Графическое представление процесса нахождения оптимальных значений параметров комплекса представлено на рисунке 2.10.
В контексте цели настоящего диссертационного исследования, общими требованиями к комплексу на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки являются: - процесс преобразования, передачи и накапливания энергии должен быть максимально эффективным; -затраты материальных ресурсов на возведение комплекса должны быть минимальны; -комплекс должен обеспечивать надлежащий уровень надежности энергоснабжения потребителей; - автономный комплекс должен соответствовать требованиям эстетичности (не нарушать природный ландшафт и архитектуру зданий и сооружений); -комплекс на базе комбинированной гелиоустановки должен быть безопасным в эксплуатации. Основными требованиями к комплексу на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки являются первые два требования, которые определяют эффективность его функционирования. Следует отметить связь данных требований с основными техническими параметрами автономного комплекса (площадью фотоэлектрического модуля, ометаемой площадью ветроэлектрической установки, площадью апертуры солнечного коллектора, емкостью электрического и теплового аккумуляторов). В отношении целевого назначения комплекса ключевым требованием является обеспечение надлежащего уровня надежности энергоснабжения потребителей. В контексте оптимизации параметров комплекса в соответствии с показателями его эффективности, это можно рассматривать как наложение ограничений на соотношения технических параметров. Другими словами, возможные оптимальные комбинации значений технических параметров комплекса должны обеспечивать надежное энергоснабжение потребителей пасечного хозяйства.
Исходя их вышеизложенных утверждений, можно отметить, что оценку эффективности функционирования автономного комплекса перспективно рассматривать в двух аспектах: в отношении преобразования, передачи и накапливания энергии и в отношении удельного расхода материальных ресурсов. В этой связи были выбраны два критерия, характеризующие эффективность для каждого аспекта функционирования комплекса: коэффициент полезного действия и материалоемкость. При этом в перечень оптимизируемых параметров автономного комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки входят площадь апертуры фотоэлектрического модуля, ометаемая площадь ветроэлектрогенератора, площадь апертуры солнечного коллектора, емкости электрического и теплового аккумуляторов. Выбор вышеприведенных параметров объясняется их непосредственной связью как с энергетическими характеристиками комплекса, так и расходом материальных ресурсов. Графическое представление перечня оптимизируемых параметров и критериев эффективности представлено на рисунке 2.11.
В соответствии с рассуждениями, приведенными в предыдущем пункте, в состав критериев эффективности входят коэффициент полезного действия и материалоемкость. Тогда максимальная эффективность функционирования комплекса может быть достигнута путем нахождения соотношений технических параметров комплекса, при которых: где г] - к.п.д. комплекса на базе комбинированной гелиоустановки; Рвэу -мощность ветроэлектрической установки, Вт; Рфм - мощность фотоэлектрического модуля, Вт; Рск - мощность солнечного коллектора, Вт; потерь мощность потерь энергии, Вт. M = p min, (2.19) где М - материалоемкость комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки; щ - масса /-го элемента комплекса, кг; iV - количество пчелиных ульев, шт.
Следует отметить, что на соотношения оптимизируемых параметров накладываются ограничения, в соответствии с которыми комплекс должен обеспечивать надлежащий уровень надежности энергоснабжения потребителей.
Наличие нескольких целевых функций объясняется невозможностью представления в форме единственной зависимости желаемого результата, поскольку обнаруживается противоречие. Повышение качества (к.п.д.) требует повышения установленной мощности оборудования, в то время как уменьшение материалоемкости достигается только в ущерб мощностных показателей комплекса.
Программа и методика экспериментальных исследований
Полигонные исследования функционирования комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев проводились в период с ноября по март 2013-2014 г. на базе центра коллективного пользования научным оборудованием «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет».
Задачей полигонных исследований являлась проверка достоверности данных, получаемых при математическом моделировании функционирования комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки. В рамках экспериментальных исследований оценивается обоснованность выбора величин таких параметров комплекса, как ометаемая площадь ветроколеса ветроэнергетической установки, площади апертуры фотоэлектрического модуля, солнечного коллектора, емкости теплового и электрического аккумуляторов.
Для решения поставленной задачи планировалось методами эмпирического исследования (наблюдением, описанием, измерением) определить динамику изменения энергетических характеристик комплекса в период проведения зимовки пчелиных семей.
Исходя из цели экспериментальных исследований, был скомпонован комплекс из отдельных изделий со значениями номинальных параметров, соответствующих значениям входных факторов математической модели. Для проведения полигонных исследований был скомпонован экспериментальный образец автономного комплекса, в состав которого вошли следующие изделия: - солнечный вакуумный коллектор (площадь апертуры 2,15 м2); - тепловой аккумулятор (объем бака 1м); -трубопроводы, теплообменники для передачи тепловой энергии между солнечным коллектором и тепловым аккумулятором, а также между тепловым аккумулятором и приточным воздухом; - воздуховоды; - система управления подачей теплого воздуха в улей, включающая заслонки воздуховодов с сервоприводами, блок управления, вентиляторы, осуществляющие принудительную подачу воздуха внутрь улья; -фотоэлектрический модуль (площадь апертуры 1,3 м) с контроллером StecaPR2020; - аккумуляторные батареи (АКБ емкостью 50 А-ч); - ветроэлектрогенератор (ветроэнергетическая установка ВЭУ 500 (ометаемая площадь 4м ) с блоком управления БУ 500М-24).
Контроллеры ФМ Рисунок 3.6 - Пчелиный улей со смонтированными воздуховодами Описание контрольно-измерительной базы. Для измерения значений параметров использовались различные сенсоры, которые подключались к платформе Arduino Mega 2560, а также датчики, встроенные в контроллер фотоэлектрических модулей StecaPR2020.
Комплекс был оборудован датчиками температуры и влажности, при помощи которых измерялись параметры наружного воздуха и воздуха внутри улья. Внешний вид, схема подключения и технические характеристики датчика температуры и влажности воздуха SHTlx представлены соответственно на рисунке 3.7, таблице 3.1.
Время реакции, с Не более 4 с. Для измерения температуры теплоносителя теплового аккумулятора использовался датчик температуры DS18B20, внешний вид, схема подключения и технические характеристики которого представлены соответственно на рисунке 3.8, таблице 3.2.
Время получения данных, с 750 мс при 12-битном разрешении; 94 мс при 9-битном разрешении Тарировка датчиков SHTlx и DS18B20 проводилась путем сравнения показаний с эталонным термометром на стенде тарировки температурных датчиков.
Для измерения эксплуатационных параметров комплекса использовались следующие датчики: -для измерения силы выходного тока фотоэлектрического модуля и ветроэлектрогенератора использовался сенсор тока ACS758, внешний вид, схема подключения и технические характеристики которого представлены соответственно на рисунке 3.9, таблице 3.3
Тарировка датчиков проводилась путем непосредственного сличения при помощи образцовых приборов (амперметров, вольтметров, ваттметров класса точности 0,2) и установок для поверки и градуировки электроизмерительных приборов. Условия тарировки датчиков соответствовали требованиям ГОСТ 8.497-83 [98].
Порядок проведения экспериментальных исследований заключался в следующем. На экспериментальном полигоне был установлен улей системы Дадана в условиях, соответствующих зимовке пчелиных семей на открытом воздухе. При этом пчелиная семья была заменена эквивалентным по мощности источником теплоты. Был произведен монтаж воздуховодов пчелиный улей. В результате, на протяжении всего эксперимента осуществлялось действие комплекса для обеспечения оптимального микроклимата на среду внутри улья. Длительность проведения опыта соответствовала периоду зимовки пчелиных семей [99]. - количество энергии, переданное по цепи «Steca PR2020 - нагрузка». Регистрация исследуемых величин производилась как вручную, путем визуального снятия показателей с дисплея контроллера Steca PR2020, так и автоматически, путем и другого технологического оборудования, относящегося к комплексу, на передачи значений измеренных величин с платформы Arduino Mega 2560 на персональный компьютер по беспроводной связи Bluetooth. В рамках проведения экспериментальных исследований были проведены пробные эксперименты, результаты которых приведены в приложении Г. По результатам пробных экспериментов было определено количество параллельных опытов для оценки отклика с требуемой точностью.
Оценка экономической эффективности применения комплекса на базе комбинированной гелиоустановки
Следует отметить, что поскольку современные электрохимические аккумуляторы являются необслуживаемыми и неремонтируемыми, то затраты на их техническое обслуживание не учитываются при расчете эксплуатационных издержек. При этом стоимость ресурсов, необходимых для функционирования комплекса определяется необходимостью однократной замены аккумуляторов (при сроке службы АКБ 15 лет [103]) в течение расчетного срока службы комплекса.
Капитальные вложения на сооружение комплекса на базе комбинированной гелиоустановки определяются по формуле: К = км (5СК + 5ФМ + 5АКБ + 5ВЭУ + 5ПР), (5.5) где км - коэффициент монтажа; 5СК - стоимость солнечного вакуумного коллектора со вспомогательным оборудованием, руб.; 5ФМ - стоимость фотоэлектрического модуля со вспомогательным оборудованием, руб.; 5АКБ -суммарная стоимость аккумуляторных батарей, руб.; 5ВЭУ - стоимость ветроустановки, руб.; 5ПР - стоимость прочего оборудования, руб.
Расчет начальных инвестиций представлен в таблице 5.2. Количество ульев пасечного хозяйства - 18 (один пасечный модуль со встроенными ульями Дадана [104]). При расчете принят коэффициент монтажа км = 1,6. Цены на отдельные изделия, входящие в состав автономного комплекса, приняты по данным рекламных проспектов, прайс-листов заводов-изготовителей, периодических коммерческих изданий.
Основное требование инвестора относительно получения приемлемого дохода реализуется за период от момента начала реализации проекта и до того шага расчетного периода, когда наступает перелом в чистых дисконтированных потоках нарастающим итогом и эта величина преодолевает отрицательный порог, становясь величиной положительной. Иными словами, за данный период достигается равенство результатов (экономия меда в денежном эквиваленте) и затрат (капитальных, эксплуатационных и т.д.), т.е. все затраты возмещаются за счет притоков при заданных требованиях по уровню доходности, заложенному в коэффициенте дисконтирования. В результате расчетов была получена величина ЧДД за расчетный период эксплуатации автономного комплекса равная 60739,23 руб., что больше нуля. Это означает, что инвестор не только покрывает все издержки по проекту, но и получает дополнительный доход, количественно реализуемый в показателе чистого дисконтированного дохода.
В результате расчетов были получены значения срока окупаемости 8,49 лет и индекса доходности дисконтированных инвестиций 1,45.
Повышение эффективности энергоснабжения лесных пасек путем применения комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения, имеющие существенное значение для экономики отрасли. Программные продукты, разработанные в рамках выполнения научно-квалификационной работы, защищены свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Теоретические и экспериментальные исследования по рассмотренной теме позволили получить следующие результаты: 1. Разработано техническое решение комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки. 2. Разработанная математическая модель функционирования комплекса позволила установить количественную взаимосвязь между техническими параметрами комплекса и его показателями эффективности при условии поддержания оптимального микроклимата пчелиных ульев. Определены оптимальные по критериям материалоемкости и коэффициента полезного действия технические параметры отдельных изделий в составе комплекса. В расчете на 18 ульев оптимальными параметрами комплекса являются: площадь апертуры ФМ 2,594 м2, площадь апертуры СК 1,91 м2, ометаемая площадь ВЭУ 0,785 м2, емкость АКБ 35 А-ч, объем бака ТА 0,3 м3. Предложенные соотношения технических параметров комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки обеспечивают соотношение КПД и материалоемкости (КПД\М (кг/улей)) соответственно для республики Марий Эл 0,618X41,016; для Хабаровского края 0,604\41,016; для Кабардино-Балкарии 0,553X41,818; для Смоленской области 0,604\41,016.