Содержание к диссертации
Введение
1 Технологии альтернативной энергетики. современное состояние и перспективы развития 10
1.1 Альтернативные источники энергии и их доля в общем производстве электроэнергии 10
1.2 Использование энергии ветра для генерации электроэнергии 17
1.3 Электростанции на солнечных батареях 21
1.4 Малая гидроэнергетика 26
1.5 Автономное электроснабжение потребителей на основе комплексного использования альтернативных источников энергии 31
1.6 Основные задачи исследования 38
2 Оценка возобновляемых энергетических ресурсов географической точки местности 40
2.1 Исследование потенциала энергии ветра, солнечного излучения и водяного потока территории электрогенерирующего комплекса 43
2.2 Экспериментальное исследование валового энергетического потенциала географической точки местности 52
2.3 Автоматизация процесса сбора, обработки и оценки информации об возобновляемых энергетических ресурсах заданной территории 60
2.4 Выводы 61
3 Математическое моделирование и оптимизация автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности на базе технологий альтернативной энергетики 63
3.1 Баланс мощностей в системе автономного электроснабжения предприятий 64
3.2 Моделирование электрогенерирующих комплексов, построенных на базе
нескольких источников энергии 71
3.3 Анализ влияния параметров электрогенерирующих установок на их мощность 79
3.4 Оптимизация структуры и параметров электрогенерирующих комплексов 93
3.5 Оптимизация режимов работы систем автономного электроснабжения предприятий 99
3.6 Выводы 101
4 Исследование и проектирование автономных электрогенерирующих комплексов 102
4.1 Программный комплекс имитационного моделирования и оптимизации системы автономного электроснабжения предприятий 103
4.2 Исследование и оптимизация электрогенерирующих комплексов, построенных на базе одного источника энергии 108
4.2.1 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ 109
4.2.2 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ФЭП 121
4.2.3 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе МГЭС 128
4.3 Исследование эффекта смещение графика потребления электроэнергии и использования генерирующих комплексов при недостаточном количестве энергетических ресурсов 135
4.4 Оптимизация структуры и исследование электрогенерирующих комплексов, построенных на базе нескольких источников энергии 140
4.4.1 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ, ФЭП 1 43
4.4.2 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ, ФЭП и
МГЭС 147
4.5 Выводы 150
Заключение 152
Список литературы
- Автономное электроснабжение потребителей на основе комплексного использования альтернативных источников энергии
- Экспериментальное исследование валового энергетического потенциала географической точки местности
- Оптимизация структуры и параметров электрогенерирующих комплексов
- Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе МГЭС
Введение к работе
Актуальность темы. Потенциал возобновляемых источников энергии России составляет миллиарды тонн условного топлива в год и значительно превышает объём всех потребляемых в настоящее время топливно-энергетических ресурсов. Его рациональное использование, в соответствии с энергетической стратегией развития России до 2030 года, позволит решить целый ряд проблем, связанных с экологически небезопасными процессами переработки углеродного топлива и его сбережением, снижением затрат на транспортировку топлива в территориально удалённые районы и повышением уровня энергетической надёжности этих районов. Учитывая, что около 70% территории страны, в числе которых и промышленно развитые районы, расположены вне централизованных электрических сетей, применение альтернативных источников для производства электроэнергии – дополнительный стимул к развитию промышленности, обеспечению занятости и повышению уровня жизни населения, что, в конечном итоге, ведёт к укреплению экономики России.
Таким образом, задача обоснования целесообразности создания на заданной территории электрогенерирующих комплексов, преобразующих энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока, безусловно актуальна, а научная и практическая значимость вопросов, связанных с разработкой методик расчёта их параметров, не вызывает сомнений.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие теоретических основ альтернативной энергетики внесли такие учёные, как Н.Е. Жуковский, A. Betz, L. Prandtl, Е.М. Фатеев, Б.Б. Кажинский, П.П. Безруких, В.И. Виссарионов, В.В. Елистратов и многие другие. Вопросам энергоснабжения потребителей на основе одного и двух типов источников альтернативной энергии посвящены опубликованные в последние годы работы В.Г. Николаева, А.Н. Дорошина, М.А. Конищева, Е.С. Ароновой, С.М. Воронина, К.В. Баркова и других авторов. Исследования, связанные с разработкой научно обоснованных методик расчёта структуры и оптимальных параметров автономных электрогенерирующих комплексов, включающих, помимо потребителя, систем аккумулирования и рассеяния энергии, три типа генерирующих устройств, преобразующих энергию возобновляемых источников, а также методик определения ресурсов альтернативной энергии в заданной географической точке местности, неизвестны.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка технологии синтеза структуры и расчёта оптимальных параметров электрогене-рирующего комплекса (ЭК), построенного на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ), солнечных фотоэлектрических панелей (ФЭП) и малых гидроэлектростанций (МГЭС), расположенного в заданной географической точке местности и предназначенного для электроснабжения предприятий ограниченной мощности (П), анализ его работоспособности в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
разработана методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, обладающих возможностью преобразования в электрическую энергию посредством ветроэнергетических установок, солнечных фотоэлектрических батарей и малых ГЭС;
разработана математическая модель электроснабжения в системе, включающей ветроэнергетические, солнечные фотоэлектрические установки, малые ГЭС и потребителя;
создана технология имитационного моделирования и соответствующее программное обеспечение работы системы «Электрогенерирующий комплекс на базе альтернативных источников энергии – предприятие ограниченной мощности» (ЭК-П);
разработана методика расчёта структуры и оптимальных параметров систем альтернативной энергетики, построенных на базе ветроэнергетических, солнечных фотоэлектрических установок, малых ГЭС и её компьютерная реализация.
Идея работы состоит:
в объединении теоретически и экспериментально обоснованных методик расчёта количества генерируемой ВЭУ, ФЭП, МГЭС электроэнергии и её потребления в рамках единой математической модели, разработке имитационной модели системы ЭК-П и создании методики расчёта её оптимальных параметров;
в разработке методики определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, основанной на корректировке соответствующих данных другой точки, расположенной в её окрестности;
Научная новизна. В результате проведённых исследований получены следующие научные результаты:
создана новая методика определения параметров возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, имеющего потенциальную возможность быть преобразованным в электрическую энергию посредством технологий альтернативной энергетики, отличающаяся тем, что в ней применена предложенная автором система корректирующих коэффициентов, учитывающих особенности территории размещения генерирующих мощностей;
разработана новая математическая модель, и на её основе создана имитационная модель, позволяющая, в отличие от известных разработок, исследовать электрогенерирующие комплексы, структура которых, помимо устройств аккумулирования и рассеяния энергии, включает три типа генерирующих устройств: ВЭУ, ФЭП и МГЭС;
разработана методика расчёта электрогенерирующего комплекса, отличающаяся возможностью поиска оптимальных значений, определяющих его структуру и конструкционные параметры из условий минимальной стоимости или максимальной мощности.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что в результате проведённых исследований:
создана методика, позволяющая выполнить количественную оценку возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, доступного для преобразования в электрическую энергию;
разработана технология исследования системы ЭК-П, основанная на методах математического моделирования, позволяющая оценить её работоспособность в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях;
создан программный продукт для ЭВМ, позволяющий решать задачи, связанные с имитационным моделированием энергетических процессов в системе ЭК-П, оптимизацией её структуры и параметров.
Методология и методы исследования. Объект исследования – система автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности, удалённых от существующей энергосети. Предмет исследования – способы электроснабжения с использованием технологий альтернативной энергетики. При выполнении работы использовались результаты анализа и обобщения данных, приведённых в научно-технической литературе, методы экспериментальных исследований энергетического потенциала заданной точки местности. Теоретические исследования проводились на основе методов расчёта систем энергоснабжения, расчёта технико-экономических показателей энергетических установок, математического анализа и теории оптимизации. При разработке программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированных технологий в среде Microsoft Visual Studio 2010.
Положения, выносимые на защиту:
методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, расположенной в окрестности этой точки;
математическая и имитационная модели и методика исследования на их основе системы ЭК-П;
методика расчёта оптимальных конструкционных параметров и структуры электрогенерирующего комплекса.
Достоверность результатов и выводов подтверждена математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов расчётов, сделанных на основе имитационной модели системы ЭК-П, с результатами известных исследований. Данные, полученные при тестировании разработанных математической и имитационной моделей, непротиворечивы, а их значения совпадают с ожидаемыми результатами.
Реализация работы. Результаты научных исследований: математическая, построенная на её основе, имитационная модель системы ЭК-П, методика их применения для расчёта энергетических процессов в генерирующих системах, включающих ВЭУ, ФЭП и МГЭС, переданы ООО «Информационно-энергетический центр «АВПС-Инновация» и применяются при подготовке и
реализации инновационных проектных решений, связанных с использованием альтернативных источников энергии для электроснабжения автономных потребителей. Технология имитационного моделирования и оптимизации параметров электрогенерирующих комплексов, построенных на базе альтернативных источников энергии, её программное решение внедрены в ООО «АльтЭнерго». Указанная технология используется в ООО «АльтЭнерго» при решении задач, связанных с определением структуры систем электроснабжения автономных потребителей, расположенных в заданных географических точках местности, оценке их стоимости и работоспособности.
Методика определения энергетического потенциала заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, расположенной в окрестности этой точки, программное обеспечение имитационного моделирования электроснабжения в системе «Энергетический комплекс – предприятие ограниченной мощности», методика оптимизации структуры и параметров этой системы используются в учебном процессе на кафедре электрооборудования ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения диссертации, её отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры электрооборудования ЛГТУ в 2011, 2012, 2013 годах и обсуждались на конференциях, семинарах, выставках и конкурсах, в числе которых: ІІІ международная научно-практическая конференция: «Применение инновационных технологий в научных исследованиях», г. Курск, 2011; областной профильной семинар: «Школа молодых учёных по техническим наукам», г. Липецк, 2011; V международная научно-практическая конференция: «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2012; VІІІ международная научно-практической конференция: «Спецпроект: анализ научных исследований», Украина, г. Днепропетровск, 2013; международная научно-практическая конференция: «Актуальные направления научных исследований ХХI века: теория и практика», г. Воронеж, 2013; XIII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (призер), г. Москва, 2013; «УМНИК» -2013-2 (победитель программы), г. Липецк, 2013.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ. Зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 179 с., в том числе 169 с. основного текста, 62 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 156 наименований, 4 приложения на 10 страницах.
Автономное электроснабжение потребителей на основе комплексного использования альтернативных источников энергии
России, можно сделать следующие выводы:
- учитывая такие факторы, как исчерпание доступных запасов углеводородов с одной стороны и освоение новых энергетических технологий с другой, можно с уверенностью говорить о перспективах развития производства электроэнергии, основанного на использовании альтернативных видах топлива;
- наиболее интенсивно развивающимися направлениями являются использование энергии ветра, воды (в первую очередь малых ГЭС) и биомассы. Успехи последних лет в сфере теории и технологии производства солнечных батарей позволяют не только добавить в этот ряд фотоэлектрические станции, но и вывести их в число лидеров;
- применение источников альтернативной энергии, на данный момент времени, возможно, более дорогих, по сравнению с традиционными, может оказаться вне конкуренции по экологическим причинами, социальным или в качестве резервных, например, при особых требованиях к энергобезопасности объектов электроснабжения;
- успешное и интенсивное развитие альтернативной энергетики предполагает наличие не только политической воли руководства страны [2, 15, 19, 21], создания благоприятных экономических условий, но и инвестиций в науку, образование, новые технологии, производство и обслуживание соответствующих средств генерации энергии. 1.2 Использование энергии ветра для генерации электроэнергии
Способ использования энергии ветра для генерации электроэнергии, как показали исследования, выполненные в разделе 1.1, является в настоящее время одним из наиболее перспективных. Суммарная мощность ветроэнергетических станций (ВЭС) постоянно растёт (рисунки 1.1 – 1.3), растёт и доля электроэнергии, получаемая с их помощью [22 – 24]. Мощность всех установленных в мире к концу 2011 года ВЭС составляет 238 ГВт. С их помощью вырабатывается 2,5% электроэнергии. Естественно, что с каждым годом увеличиваются объёмы производства ветроэнергетических установок, повышается надёжность, улучшаются эксплуатационные характеристики, снижается их стоимость.
Начало теории ветряного двигателя восходит к середине 19-го века [25] и связано с именами шотландского инженера У. Д. М. Ренкина [26], английского инженера У. Фруда [27, 28]. В первой половине 20-го века исследования были продолжены английским инженером Ф. Ланчестером [29], немецкими учёными А. Бетцем [30] и Л. Прандтлем [31] и русскими учёными Н. Е. Жуковским [32], Г. Х. Сабининым, Н.В. Красовским, А.Г. Уфимцевым, В.П. Ветчинкиным, Е.М. Фатеевым [32 – 37] и многими другими.
В настоящее время исследованиям в области ветроэнергетики посвящены многочисленные научные работы учёных России, Украины, Белоруссии [38 – 54], в числе которых особое место занимают разработки П.П. Безрукова [11 – 13, 43], В.Г. Николаева [44], Воронина С.М. [45] и некоторых других. Деятельность более 30 научных организаций России [43] связана с возобновляемыми источниками энергии, а такие предприятия, как ООО “Ветро Свет”, ООО “СКБ Искра”, OOO “ГРЦ-Вертикаль”, ООО “Сапсан-Энергия”, ЗАО “Ветроэнергетическая компания”, “ЛМВ Ветроэнергетика”, ЗАО “Агрегат-Привод”, НПП “ЭнергоЭкологические Системы”, Возобновляемые источники энергии RKraft, ООО “Ев-роСтандартСервис”, ООО “Стройинжсервис”, являются непосредственно производителям ветроэнергетических установок. Анализ литературных источников позволяет определить следующие основные направления исследований в области ветроэнергетики: - расчёт мощности ветра в зависимости от его скорости, высоты и профиля местности; - определение скорости ветра в зависимости от географического положения ВЭУ; - конструкции и особенности ВЭУ; - экономическая эффективность. Формула для расчёта мощности ветродвигателя (Вт), включающего в себя ветроколесо, редуктор и генератор, имеет вид [30, 37 - 42], [52 - 54]:
Экспериментальное исследование валового энергетического потенциала географической точки местности
Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, просто огромно [13, 14] и значительно превышает энергию всех мировых запасов углеродного топлива. Несложные расчёты показывают, что всего лишь 0,0125 % его объёма могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики [74].
Используют солнечную энергию в основном двумя способами [12, 14, 74] – в виде тепловой энергии, путём применения различных термосистем, и посредством фотохимических реакций (фотовольтаика [74]). Последний способ – непосред ственное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Фотоэлементы солнечных батарей представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Солнечные батареи могут быть различной мощности – от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.
Фотовольтаический эффект – возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения, в том числе и излучения солнца [74 – 79]. Этот эффект впервые был открыт для электролитической ячейки французским учёным Эдмондом Беккерелем в 1839 году [75]. В дальнейшем исследованиям фотоэлектричества на протяжении длительного периода времени занимались такие известные учёные, как Г. Герц (1887 г.), В. Гельвакс, А Риги, А.Г. Столетов (1988 г.), Ф. Ленард (1900 – 1902 г.), Н. Тесла (1901 г.), А. Эйнштейн (1905 г.), Р. Милли-кен (1911–1914 г.), А.Ф. Иоффе (1913 г.), П.И. Лукирский (1928 г.), И.Е. Тамм и С.П. Шубин (1931 г.) и другие. И только в 1930-х годах, как результат полувековых исследований, появились первые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), разработанные в России под руководством А.Ф. Иоффе. Практическое применение ФЭП нашли в солнечных батареях советского искусственного спутника Земли “Спутник-3” в 1958 году [76].
Процесс преобразования солнечного излучения в электрическую энергию осуществляется на солнечных электростанциях (СЭС) [81]. СЭС является одним из самых перспективных и наиболее быстро развивающихся направлений использования возобновляемых источников энергии [74, 82]. На рисунке 1.4 представлены данные динамики роста мировых производственных мощностей электричества (1) и рост производственных мощностей имеющихся в мире солнечных батарей (2). Пунктирами показаны экстраполяции двух возможных сценариев будущего роста глобальных мощностей солнечных батарей [82].
В настоящее время в России исследования по возобновляемой энергетике сосредоточены, в основном, в институтах РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова. Так в институте ФТИ им. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) сделаны разработки фото электрических элементов с многослойными структурами на основе арсенида галлия (достигнут КПД, превышающий 20%). Однако общий объём этих исследований, к сожалению, невелик. Ряд организации России, среди которых Рязанский завод металлокерамических приборов г. Рязань, НПО «Машиностроение», ООО «Совлакс», НПП «Квант», ВИЭСХ, ЗАО «Телеком-СТВ», ОАО «Позит» г. Москва, ОАО «Сатурн», ООО «Солнечный ветер» г. Краснодар, завод «Красное знамя» г. Рязань, изготавливают небольшими партиями фотоэлементы и модули с КПД 14–15% [12]. В тоже время в странах Европы, США, Китае наблюдается значительный рост объёмов инвестирования в научные разработки и развитие мощностей, связанных с возобновляемыми источниками энергии, достигающий почти 100 миллиардов долларов ежегодно [82]. В результате, по данным информационно-аналитического агентства Cleandex [83], в 2011 году в мире было подключено 27.8 ГВт новых фотовольтаических станций. Таким образом, за последние пять лет суммарная мощность всех фотовольтаических станций увеличилась почти на порядок (7.0 ГВт в 2006 году) и составила 67.4 ГВт.
В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем: частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов; коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле; промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей.
В зависимости от материала, конструкции и способа производства выделяют три поколения ФЭП: - ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния. По способу изготовления различают поликристаллические и монокристаллические пластины кремния. В настоящее время ФЭП первого поколения благодаря низкой себестоимости получили наибольшее распространение; - ФЭП второго поколения на основе тонких плёнок, позволяют изготавливать гибкие и, в перспективе более дешёвые, ФЭП большой площади, но с меньшим коэффициентом преобразования в сравнении с ФЭП первого поколения; - ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов находится в настоящее время на стадии исследований.
В общем случае ФЭП, входящие в состав СЭС, могут иметь фиксированный или следящий фотоприёмник без концентратора или с концентратором солнечного излучения. Известны различные варианты концентраторов и систем слежения, отличающиеся технико-экономическими показателями и эффективностью. Однако однозначно определить какой-либо вариант построения СЭС как наилучший, без проведения соответствующих исследований, невозможно [43, 45]. Мощность Р (кВт), вырабатываемая СЭС может быть рассчитана по формуле [43, 45, 76, 80]:
Оптимизация структуры и параметров электрогенерирующих комплексов
Конкретизирована система основных показателей составляющих энергетического ресурса, зависящих от выбора места размещения автономных электро-генерирующих комплексов, построенных на базе альтернативных источников энергии, применительно к заданной географической точке.
Разработана методика определения коэффициентов запаса, применяемых при построении математических моделей баланса мощностей генерирующих комплексов, использующих для производства электроэнергии энергию ветра и солнечного излучения. 3. Разработана методика расчёта корректирующих коэффициентов, позволяющих связать существующие базы скоростей ветра и солнечной инсоляции с соответствующими параметрами исследуемой географической точки местности.
. Предложена методика экспериментальной оценки валового энергетического потенциала заданной географической точки местности и основных параметров альтернативных источников энергии на примере создания базы данных скоростей ветра территории расположения бывшей Кураповской ГЭС (Липецкая область) на базе данных о скоростях ветра на метеостанции города Липецка.
Предложена методика выполнения расчётов зон затопления при проектировании плотин МГЭС и выполнена её апробация на примере восстановления плотины Кураповской ГЭС.
Разработана методика и программное решение для её реализации, позволяющая автоматизировать процесс сбора и обработки информации, необходимой для определения основных характеристик энергии ветра и солнечного излучения в заданной географической точке местности.
Предмет исследования данной главы – система, изображённая на рисунке 3.1, включающая электрогенерирующие компоненты, компоненты аккумулирования и сброса электроэнергии, а также предприятие ограниченной мощности. Наличие или отсутствие электрогенерирующих компонентов определяет структуру системы. Параметрами системы являются количественный состав и свойства каждого из её компонентов. Состояние компонента, – есть некоторая функция времени, зависящая от его параметров и воздействий со стороны других компонентов. Связь между компонентами осуществляется посредством контроллера (системы управления), реагирующей их на текущее состояние.
Входными энергетическими потоками системы являются энергии ветра, солнечного излучения и водяного потока, преобразуемые соответственно ветроэлектрическими генераторами (ВЭГ), фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и гидроэлектрическими генераторами (ГЭГ). Сгенерированные потоки электроэнергии после преобразования и стабилизации направляются потребителю, излишки - в систему аккумулирования энергии. Часть энергии, которую невозможно аккумулировать, в силу ограниченности ёмкости аккумуляторных батарей или превышения допустимого значения тока заряда, преобразуется в тепловую энергию, например, посредством балластного сопротивления (БС) и рассеивается. Если сгенерированной энергии недостаточно, то системе управления поступает информационный сигнал о необходимости подключения к электроснабжению предприятия системы аккумулирования.
Эффективность электрогенерирующего комплекса, в общем случае, - целый набор значений показателей, определяющих не только его работоспособность, но и надёжность, характеристики экономического плана: стоимость, себестоимость электроэнергии, срок окупаемости, площадь размещения, удобство обслуживания и многое другое. Решение задачи проектирования действительно эффективного электрогенерирующего комплекса, как показали результаты анализа состояния данного вопроса, выполненного в первой главе, может быть осуществлено только путём применения методов моделирования [124, 125, 128, 129, 137, 138] и оптимизации [130, 132, 134], опирающихся на современные компьютерные технологии [124, 131, 140 - 142].
Полагая систему автономного электроснабжения предприятия, представленную на рисунке 3.1 замкнутой, можно утверждать, что сумма мощностей источников электрической энергии должна быть равна сумме мощностей, расходуемых в приёмниках этой энергии за вычетом потерь вследствие её передачи и различного рода преобразований. Источниками энергии в данной системе являются устройства, использующие энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока для генерации электрического тока. Потребитель - предприятие ограниченной мощности и балластное сопротивление. Система аккумулирования электроэнергии, в зависимости от количественного соотношения вырабатываемой и потребляемой энергии, может выступать как в роли её источника, так и приёмника Соответственно на практике возможны следующие варианты движения энергетических потоков, определяющих баланс мощностей в рассматриваемой системе автономного электроснабжения предприятия:
Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе МГЭС
Наиболее предпочтительным способом теоретического решения задачи проектирования современных автономных систем электроснабжения, использующих технологии переработки альтернативных источников энергии, как показали результаты исследований, выполненных автором в предыдущих главах диссертационной работы, – методы имитационного моделирования и оптимизации. Практическая реализация задачи – разработка программного решения для ЭВМ «Технологии альтернативной энергетики» [124, 136, 154 – 156] и методики его применения для достижения конкретных целей, к числу которых относятся: интерактивный режим исследования и графического отображения результатов динамики изменений основных характеристик автономной системы ЭК П (имитационное моделирование); исследование параметров генерирующих устройств (ВЭУ, ФЭП, МГЭС), обеспечивающих их минимальную стоимость при заданном графике потребления энергии; расчёт структуры системы «Генерирующий комплекс на базе нескольких источников энергии (ВЭУ, ФЭП, МГЭС) – предприятие ограниченной мощности», максимальной эффективности; расчёт структуры электрогенерирующего комплекса максимальной мощности при заданной стоимости; расчёт структуры электрогенерирующего комплекса минимальной стоимости при заданном графике потребления энергии; расчёт эксплуатационных параметров системы ЭК П.
Программный комплекс имитационного моделирования и оптимизации системы автономного электроснабжения предприятий
Структурная схема программного комплекса имитационного моделирования и оптимизации системы автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности приведена на рисунке 4.1. Данное программное решение представляет собой три типа независимых систем, позволяющих моделировать работу электростанций, построенных на базе ВЭУ, ФЭП и МГЭС. На рисунке 4.1 их составляющие обозначены соответственно голубым, жёлтым и синим цветом. Каждая из систем связана с двумя типами баз данных:
- параметры альтернативных источников энергии, единые для каждого из районов области или региона Российской Федерации и скорректированные применительно к конкретной географической точке местности (см. главу 2);
- количественные, конструкционные, стоимостные характеристики оборудования (см. раздел 4.2), которые хранятся в файле проекта соответствующего типа электростанции, индивидуального для каждой географической точки местности, создаваемого пользователем перед началом решения им конкретной задачи с помощью рассматриваемого программного обеспечения. Эти характеристики могут варьироваться пользователем в поисках удовлетворяющего его результата или программно, при решении задач оптимизации. Программные блоки, выделенные на рисунке 4.1 зелёным цветом, являются
общими, для каждой из обозначенных выше систем. Количественные характеристики блоков «Данные потребителя» и «Параметры аккумуляторов» хранятся в файлах соответствующих проектов и могут варьироваться. Блоки «Имитационное моделирование, вывод и графическое представление результатов» и «Расчёт аккумулирующей системы и балластного сопротивления» являются, по существу, ядром программы, в котором и осуществляется непосредственно процесс имитационного моделирования проектируемого электрогенерирующего комплекса.
В процессе работы с программой пользователь имеет две возможности интерактивного управления: непосредственный ввод конструкционных параметров (ВЭУ, СЭС или МГЭС), или запуск одной из программ оптимизации, например, расчёт минимального количества генерирующих установок, расчёт минимального количества аккумуляторов, стоимости и других. Блок, отвечающий за реализацию данных функций программы, выделен на рисунке 4.1 красной рамкой.
Основное окно программы «Технологии альтернативной энергетики» изображено на рисунке 4.2. Здесь представлена возможность выбора региона Российской Федерации, области и указания на подгружаемой карте конкретной географической точки местности, для которой предполагается проведение исследований. При выборе района автоматически подключаются соответствующие базы данных его энергетических ресурсов и, при необходимости, выполняется их коррекция. Результаты коррекции отображаются на графике.
