Введение к работе
Актуальность проблеш. В последние годы вследствие ряда объективных причин, а именно, роста населения планеты, непрерывного роста цен на нефтяное топливо и природный газ (из-за усиливающегося энергетического кризиса и возрастающего дефицита энергии,отрицательных экологических последствий тепловых и атомных электрических станций) обусловили интерес ученых к работам по использо -ванию возобновляемых источников энергии и в первую очередь солнечной и ветровой энергии, энергии биомассы и воды. Разработка энергетических установок, использующих пригодные источники энергии проводится в ряде развитых стран, например, в США, Великобритании, Канаде, Германии, СНГ и в других странах.
В странах СНГ интенсивно исследуются проблемы развития энергетики на основе Еозобновллекых источников энергии и разрабатываются проекты эффективных технических решений, а также ведется строительство опытных установок.
Среди большого числа возобновляемых источников энергия наиболее значимое место занимает солнечная энергия, использование которой обеспечивает экологичеокуп чистоту прп возможности ее применения во всех частях зекного пара.
Известно как непосредственное использование солнечной энергии для различных целей: теплоснабжение, суска сельскохозяйственных продуктов, обогрзо культивационных сооружений, коммунально-битовые нужды, так и ее преобразование в электрическую энергию на солнечных электростанциях. Известны два метода указанного преобразования солнечной энергии, а именно термодинамический и фотоэлектрический.
Впервые идея создания солиетных электростанций башенного типа на основе термодинамического цикла была выдвинута в бнвием СССР в конце 50-нх годов в Государственной энергетическом институте пи. Г.М.Кржижановского. Под руководством B.A.Bayva был разработан первый проект солнечной электростанция мощностью 5 Р.*Вт, которая впо-следотвии была построена в Крыму,
В настоящее время усилия последователей направлены на изучение прямого преобразования энергия солнца в эл-ктрическув, т.е. на ооновя фотоэлектрического метода. Въ многое странах гирл ве-
дутся исследования по разработке фотоэлементов с целью повышения их мощности и коэффициента полезного дейстЕИя. В Японии, бывшем СССР и ряде других стран разрабатываются солнечные батареи и фотоэлектрические модули предназначенные для работы в качестве источников энергии е натурних условиях (в уличных часах, дорожных знаках, для освещения гаражей и других попечений и т.п.).
В энергетических програ?я.'лх разных стран предусмотрен значи -тельный объем исследований и разработок в области ветроэнергетики. Они направлены на выбор наиболее перспективных зон и районов, ха-ракторизушцихся высоким потенциалом энергии ветра, разработку ые-тодои применения ветроэнергетических установок, создание новых технических средств и снижение их стоишети с целью езтцественного улучшения экономических показателей и повышения надежности энергоснабжения потребителей, обеспечение высокое конкурентоспособности ветроэнергетических установок по сравнению с тепловыми и гидравлическими электростанциями и агрегатами.
Прогнозы развития техники использования возобновляемых источников энергии указывают на перспективность этого направления и на то, что к концу века за счет этих энергоресурсоп можно будет обеспечивать значительную часть энергетических потребностей человечества. По оценкам специалистов разных стран, доля энергии, полу-чаеадй sa счет использования энергии солнца и ветра, в общем мировом энергобалансе моасет возрасти до 5-7 %, а в некоторых странах, расположенных в особо благоприятных регионах, еще больше. За счет использования биокассы в качестве источника энергии можно получить 6-Ю % потребной энергии. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются практически во всех регионах и почти в каядом из них ьокот Сыть налажено производство энергии и топлива.
Биомасса кокет быть получена на базе сельскохозяйственных отходов, городских отходов и стоков, морских и озерных водорослей.
Особенно вавное значение утилизация биокассы имеет в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды ежегодно расходуется больное количество топлива и непрерывно растут потребности в удобрениях.
Утилизация городских отходов и стоков также может дать значительное дополнительное количество энергии. Путем анаэробной ферментации отходов в бывшем СССР можно получать еяегодно 2 млрд.кубических метров метана.
Известно преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах, в электрическую энергию на гидроэлектростанциях.
Использование энергии воды для производства электроэнергии в целях электроснабжения отдельных потребителей монет быть осуществлено на микрогидроэлектростанциях путем подачи воды от обычных водопроводных кранов, проточно от малых рек или путем накопления атмосферных осадков в специальных резервуарах.
Вышерассмотренные наиболее распространенные виды возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, биомасса и вода) используются с целью производства электроэнергии и тепла во всех странах мира, как правило, порознь. Однако надежность работы таких установок зависит от определенных условий местности, например, климатических, географических и т.д.
Для повьшения надежности работы энергетических установок и обеспечения непрерывности выработки электроэнергии в последнее время началась строительство комбинированных энергетических установок, использующих одновременно несколько, но не более трех, видов возобновляемых источников энергии.
К существенным недостаткам тлеющихся установок можно отнести необходимость их привязки к определенной местности, что снижает универсальность, а также невысокую надежность при работе в условиях недостаточного поступления солнечной и ветровой энергии, а также имеющее место вредное воздействие на окружающую среду при строительстве комбинированных энергетических установок большой мощности (изъятие земельных ресурсов и т.п.).
Настоящая работа направлена на создание и разработку модели энергетической установки на основе одновременного комплексного использования возобновляемых источников энергии, а именно,энергии солнца, ветра, биомассы и воды, обеспечивающей надежное электроснабжение локальных потребителей электрической энергии.
Разработанная модель комплексной энергетической установки, признанная научно-исследовательским институтом государственной патентной экспертизы в качестве промышленного обгчзца, монет быть использована для проектирования » спадания промысленных энергетических установок в не7ях обеспе-'^шя щои.тю детва электроэнергии и тепла.
Актуальность данной темы подтверждается тате тем, что но -оледования по разработке модели энергетичеакой установки на осно-
ве комплексного использования возобновляемых источников энергии были включены в планы работ, координировавшихся Министерством образования Республики Беларусь по теме ГВ 91-20 "Разработка теоретических основ, методов, алгоритмов и промышленных программ для оптимизации режимов и параметров электрических систем и их элементов с целью экономии электроэнергии и повышения ее качества" и являются составной частью исследований, проводимых на ка -федре "Электрические системы" Белорусской государственной поли «г технической академии.
Цель и основные задачи работы. Дефицит топлива и возрастающее загрязнение окружающей среды отходами энергетического производства, могущие в конечном счете привести к глобальным изменениям климата планеты, требуют проведения исследований по рациональному использованию природных экологически чистых источников энергии и обусловили выбор цели диссертации, а именно, разработку модели энергетической установки на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии (энергии солнца, ветра, биомассы и вода).
Основные задачи исследования включают в себя:
технико-экономическую оценку непосредственного преобразования солнечной и ветровой энергии, а также энергии биомассы и воды в электрическую энергию;
разработку технических условий для создания модели энергетической установки на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии;
оптимизацию структуры модели энергетической установки;
разработку конструктивного устройства модели энергетической установки на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии и оценку ее технико-экономических показателей и показателей надежности.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы методы технико-экономического анализа, Лагранжа, наименьших квадратов,многоцелевой оптимизации и непарметрической оценки показателей надежности работы.
Исследования проводилиоь с помощью персональной вычислитель -ной машины по программам, составленным автором.
Новые научные результаты, подученные в работе; Разработана новая конструкция солнечного модуля (солнечной батареи) для г/одели
энергетической установки на основе комплексного использования.возобновляемых источников энергии;
разработана методика оценки эффективности фотоэлектрических станций по сравнению с солнечными электростанциями термодинамического цикла;
разработаны технические условия, предложена структура и создана на уровне промышленного образца модель энергетической установки на основе комплексного использования природных источников энергии;
дана оценка уровня надежности работы модели энергетической установки и предложена методика для оценки оптимальных соотношений между мощностями отдельных модулей.
На защиту тшосятся следующие основные положения;
новая конструкция солнечной батареи для модели энергетической установки;
методика оценки эффективности фотоэлектрических станций по сравнению с солнечными электростанциями термодинамического цикла;
конструкции модели энергетической установки на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии, при -значная Научно-исследовательским институтом государственной па -тенткой экспертизы в качестве промышленного образца;
методика оценки надежности работы энергетической установки оптимальній соотношений между гощностями отдельных модулей.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная модель энергетической установки на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии, признанная Научно-исследовательским институтом государственной патентной экспертиза в качестве промышленного образца, может быть использована проектными организациями для разработки комплексних промышленных энергетических установок, обеспечивающих получение электроэнергии на основе преобразования возобновляемых источников энергии.
Созданные в процессе выполнения диссертационной работы модели энергетических установок на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии используются в учебном процессе кафедры "Электрические системы" Белорусской государственной политехнической академии.
Реализация результатов работы. По результатам исследования успешно защищено студентами б дипломных проектов. 'Латвриплч лио-
оертации включены в отчеты по научно-исследовательской работе кафедри "Электрические системы" Белорусской государственной политехнической академии. Результаты исследования использованы в учебно-исследовательской работе студентов и включены в лабораторный практикум "Лабораторный работы (практикум) по курсу "Вычислительная техника'' для студентов вечерней и заочной форм обучения специальности 10.02 ~ "Электрические системы", изданный в соавторстве в 1993 году на ротапринте БГПА.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподава -тельского состава Белорусской государственной политехнической академии в I9S9, 1990, 1991, 1992 гг., Всесоюзной научно-технической конференции по разработке методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта (Днепропетровск, 1990) и на Республиканской научно-технической конференции, посвященной 70-летию БГПА (Минск, 1991).
Публикации.Основные положения диссертации нашли отражение в 8 опубликованных работах.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 94 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 20 таблиц, и списка литературы, включающего 101 наименование.
