Содержание к диссертации
Введение
1. Нетрадиционная энергетика и проблема развития специализированных электротехнических комплексов 21
1.1. Общие сведения о развитии нетрадиционной энергетики 21
1.2. Научные подходы к проблеме развития нетрадиционных электротехнических комплексов 23
1.3. Экологические аспекты использования ВИЭ. Характеристики ВИЭ 31
1.4. Диалектические основы комплексного использования ВИЭ. Постановка проблемы разработки нетрадиционных электротехнических комплексов ; 37
1.5. Выводы по главе 1 40
2. Синтез комплексной системы автономного электроснабжения 42
2.1. Общие принципы построения системы 42
2.2. Технико-экономическое обоснование разработки комплексной системы автономного энергоснабжения 43
2.3. Разработка комплексной системы автономного электроснабжения 49
2.4. Особенности выбора элементов электрического и теплового каналов преобразования энергии 58
2.5. Анализ режимов функционирования КСАЭ 65
2.6. Выводы по главе 2 71
3. Поиск и разработка способов повышения эффективности КСАЭ ?. 73
3.1. Общие сведения и задача повышения эффективности КСАЭ 73
3.2. Некоторые экономические показатели рабочего режима КСАЭ 76
3.3. Оптимизация структуры КСАЭ 81
3.4. Разработка алгоритма оптимизационных расчетов КСАЭ 89
3.5. Электромагнитно-механическая совместимость в КСАЭ 95
3.6. Выводы по главе 3 107
4. Двухмерная электрическая машина-генератор, как основной элемент КСАЭ .-. 109
4.1. Общие сведения о разработке ДЭМ-Г 109
4.2. Обоснование конструкции и основы теории ДЭМ-Г 110
4.3. Развитие теории и энергетические соотношения в ДЭМ-Г 123
4.4. Особенности методики расчета ДЭМ-ГС. Установление связей между ЭДС и токами 127
4.5. Особенности расчета потерь в якорной обмотке ДЭМ-ГС 135
4.6. Выводы по главе 4 143
5. Математическое моделирование переходных процессов в ДЭМ-Г 145
5.1. Особенности математического моделирования переходных процессов в ДЭМ-Г 145
5.2. Построение математической модели электромагнитных и электроме ханических переходных процессов в ДЭМ-Г ; 149
5.3. Реализация математической модели ДЭМ-Г 157
5.4. Особенности теплообмена, неустановившийся режим нагревания ДЭМ-Г 163
5.5. Анализ методов теплового исследования. Выбор метода 171
5.6. Методика исследования температурного поля ДЭМ-Г 175
5.7. Выводы по главе 5 .' 188
6. Нетрадиционные электротехнические комплексы с вращающимся магнитным полем 190
6.1. Общие сведения о многофазных трансформаторах и регуляторах 190
6.2. Разработка аксиальных многофазных трансформаторов и регуляторов с вращающимся магнитным полем 192
6.3. Методика расчета аксиальных многофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем 213
6.4. Математическое моделирование аксиальных многофазных ТВП 221
6.5. Выводы по главе 6 224
7. Разработка двигателей-машин для КСАЭ 226
7.1. Состояние вопроса и требования к двигателям-машинам 226
7.2.Электромагнитное поле и параметры ротора Д-М 227
7.3. Разработка конструкций различных Д-М для КСАЭ 241
7.4. Разработка двигателей-машин регулируемой мощности 243
7.5. Особенности экспериментальных исследований НЭК 245
7.6. Экспериментальное определение магнитных характеристик конструкционных сталей. Аппроксимация кривых намагничивания 253
7.7. Экспериментальное построение механических характеристик Д-М. Экспериментальные образцы исследуемых объектов САЭ 257
7.8. Выводы по главе 7 263
Заключение 265
Литература
- Научные подходы к проблеме развития нетрадиционных электротехнических комплексов
- Технико-экономическое обоснование разработки комплексной системы автономного энергоснабжения
- Общие сведения и задача повышения эффективности КСАЭ
- Обоснование конструкции и основы теории ДЭМ-Г
Введение к работе
Актуальность темы. Обостряющаяся экологическая обстановка и возрастающий в последнее время энергетический кризис, с одной стороны, близкое к истощению состояние запасов органического топлива и в то же время смещение перспективных взглядов на ядерную энергетику, с другой стороны, привели к естественной активизации поисков других, нетрадиционных, экологически чистых источников энергии.
Можно сказать, что едва начавшейся эре энергии полезных органических ископаемых уже сейчас грозит закат в силу трех следующих обстоятельств: ограниченность органических ископаемых, их невосполнимость и экологическое загрязнение окружающей среды при их использовании. Авария в системе Мосэнерго в мае 2005 г. дополнительно подтвердила актуальность развития нетрадиционной энергетики в качестве резервной, автоматически включаемой мгновенно при исчезновении потенциала в сети.
Поэтому вполне обосновано, что в программе «Энергетическая стратегия России...» предложено и обосновано к 2010 г. удвоить производство электрической и тепловой энергии за счет возобновляемых источников. Доля возобновляемой энергетики в мировом масштабе на начало XXI в. составляет (без крупных гидроэлектростанций) 1,6 млрд. тонн условного топлива, что соответствует 10-11 %, а доля выработки электроэнергии по данным МЭА составила 1,6 % от общей выработки электроэнергии, в том числе в странах-членах ЕЭС - 2,69 %, странах-членах ОЕСД - 2,13 %, в США - 2,21 %, а в России - всего лишь 0,24 %.
Возрастающее в последнее время использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с присущими им особенностями и перспективой расширенного использования в обозримом будущем требует разработки новых типов
электрических машин и других электротехнических устройств, позволяющих более эффективно использовать ВИЭ.
Представляется, что ВИЭ по своей сути являются самыми традиционными, известными и используемыми человеком издревле, а поэтому не могут быть отнесены к нетрадиционным источникам энергии. Другое дело энергетика, основанная на ВИЭ. Это новая, бурно развивающаяся энергетика, и на этом основании в данной работе она названа нетрадиционной, хотя и основана на самых традиционных источниках - ВИЭ.
Как показала практика, использование для новой нетрадиционной области энергетики обычных, традиционных электрических машин (ЭМ) либо неэффективно, либо вовсе невозможно, особенно если речь идет о комплексном использовании нескольких ВИЭ в рамках одной энергосистемы.
В развитие сказанного профессор Копылов И.П. отмечает «...к основной проблеме в области электромеханики следует отнести создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные источники энергии... Электромеханическое преобразование энергии и в будущем будет основным в электроэнергетике, поэтому создание электрогенераторов, использующих новые источники энергии, является особой заботой электромехаников».
Применение в настоящее время электрических машин в нетрадиционной энергетике решает задачу преобразования энергии ветра, геотермальных вод, биогаза, приливов и отливов, волн и других ВИЭ в электрическую энергию в две ступени: сначала - в механическую энергию турбины, а затем - в электрическую энергию на зажимах генератора, приводимого во вращение турбиной.
Однако существенная неравномерность поступления энергии ВИЭ, полная невозможность их детерминирования и воздействия на их естественные природные характеристики остро ставят вопрос обеспечения независимости выходных параметров ЭМ (например, величины и частоты выходного напряжения в генераторном режиме) от входных параметров (частоты вращения и момента на валу).
Другим, не менее важным, является вопрос одновременного комплексно-
го использования нескольких видов ВИЭ, что позволяет более эффективно использовать эти источники энергии, например, ветер и солнце одновременно. Такое суммирование энергии нескольких источников позволяет увеличить мощность получаемой, например, электрической энергии и одновременно в достаточной степени выровнять график выработки энергии, приняв в качестве первичных природные источники энергии, работающие, как правило, в противофа-зе.
Тема настоящих исследований связана с программой «Энергетическая стратегия России... Прогноз развития возобновляемой энергетики», где предложено и обосновано к 2010 г. удвоить производство электрической и тепловой энергии за счет возобновляемых источников, с научно-технической программой Т. 14.01 «Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием возобновляемых источников и осуществить широкомасштабный эксперимент по их применению для объектов агропромышленного, жилищно-гражданского и курортно-оздоровительного назначения», с Краснодарской краевой программой «Состояние тепло- и электроснабжения, обеспечение топливом. Уровни и структура потребления. Местные энергоресурсы, запасы возобновляемых источников энергии (малые ГЭС, термоэнергетика, ветроэнергетика, тепловые насосы и т.д.)», разработанной в соответствии с Постановлением главы администрации края от 20.06.96 № 269 «О неотложных мерах по энергосбережению в Краснодарском крае», а также научно-исследовательской работой по исследованию нетрадиционных электротехнических комплексов, проводимой МЭИ и Краснодарским ВВАУЛ.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является развитие теории и разработка нетрадиционного электротехнического комплекса «источник-преобразователь-потребитель» для повышения технико-экономических показателей систем автономного электроснабжения.
Поставленная цель потребовала решения следующих основных задач: обоснование эффективности комплексного использования двух раз-
нородных ВИЭ в одном электромеханическом преобразователе-генераторе (ЭМ-ПЭ-Г) с целью увеличения мощности и длительности выработки электроэнергии, а также повышения качества этой энергии;
синтез комплексной системы нетрадиционной энергетики на базе двухмерной электрической машины-генератора (ДЭМ-Г), совмещенной в одном агрегате с дизель-генераторной (ДТ) установкой по системе ДЭМ-Г-Д-Г, обеспечивающей потребителей электрической энергией постоянного и переменного тока, а также теплом и холодом;
развитие методики расчета и технико-экономический анализ синтезированной комплексной САЭ, обеспечивающей минимизацию стоимости единицы вырабатываемой энергии;
создание схемных решений и получение теоретических соотношений, обеспечивающих электромагнитно-механическую совместимость (ЭММС) парка ДЭМ-Г, работающих в единой системе автономного электроснабжения (САЭ);
обоснование аксиальной конструкции и практически безотходной технологии изготовления комплекса различных нетрадиционных электротехнических устройств САЭ, а именно: источник энергии - двухмерная электрическая машина-генератор (ДЭМ-ГА), преобразователи энергии - трех- и многофазные трансформаторы, индукционные и фазорегуляторы с вращающимся магнитным полем (ВМП), потребители энергии совмещенной конструкции по системе двигатель-машина (Д-М), в том числе регулируемой мощности;
разработка методики расчета электромагнитных и электромеханических устройств (источники, преобразователи-потребители) аксиальной конструкции, входящих в САЭ на базе ВИЭ;
разработка инженерной методики теплового расчета ДЭМ-Г и построение ее полной тепловой схемы замещения, позволяющей решать широкий класс задач и получать численные результаты расчета.
Методы исследования и достоверность результатов. В работе использовались методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных, методы математического моделирования электромагнитных и электромеханических процессов в сочетании с методом планирования эксперимента.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов обеспечивается:
применением фундаментальных законов: теории электромагнитного поля (уравнений Максвелла для электромагнитного поля), теории электрических и магнитных цепей (уравнений Кирхгофа), интегральных уравнений Вольтера II рода, как частный случай уравнений Фредгольма;
согласованием теоретических положений и результатов расчета с данными экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях;
апробацией на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных научно-технических конгрессах, конференциях и семинарах.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
методология комплексного использования двух ВИЭ в одном ЭМПЭ, обеспечивающем увеличение мощности, а также повышение стабильности и качества вырабатываемой электрической энергии;
синтез комплексной САЭ на базе ДЭМ-Г, совмещенной в одном агрегате с дизель-генераторной (Д-Г) установкой по системе ДЭМ-Г-Д-Г, предусматривающей генерирование электрической энергии переменного и постоянного тока, а также тепла и холода;
разработка конструкций и методик расчета электромагнитных и электромеханических параметров аксиальных и радиальных вариантов конструкций ДЭМ-Г;
введение понятия электромагнитно-механической совместимости (ЭММС) параллельно работающих ДЭМ-Г в САЭ и методология ее расчета;
математическое моделирование температурного поля ДЭМ-Г с учетом неравномерности теплоотвода, геометрических форм, теплофизических свойств элементов машины, условий теплообмена, а также непрерывности и недетерминированности переходного процесса;
методология расчета и конструирования многофазных трансформаторов, индукционных и фазо- регуляторов с вращающимся магнитным полем (ВМП), как элементов САЭ, обеспечивающих повышение качества и экономичности использования вырабатываемой электрической энергии;
методология конструирования и обоснование эффективности работы различных двигателей - машин (Д-М) аксиального и радиального исполнения, в том числе - регулируемой мощности, как высокоэффективных элементов - потребителей САЭ.
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
- разработана методология комплексного использования двух разно
родных ВИЭ в одном ЭМПЭ, как один из наиболее эффективных и перспектив
ных путей расширенного использования ВИЭ;
разработана методология и сформулированы общие принципы создания комплексной САЭ, совмещающей в одном агрегате двухмерную электрическую машину-генератор (ДЭМ-Г) и традиционную двигатель-генераторную (Д-Г) установку;
- предложены и обоснованы способы и совокупность конструктивных
решений ЭМПЭ, позволяющих одновременно использовать несколько возобнов
ляемых источников энергии в едином агрегате, обеспечивая при этом их сумми
рование и улучшение качества вырабатываемой энергии;
получены электромагнитные, электромеханические и тепловые взаимосвязи в ДЭМ-Г при комплексном использовании ВИЭ в едином преобразователе энергии - ДЭМ-Г, как ЭМПЭ принципиально новой конструкции;
развита теория и разработан эффективный метод умножения числа фаз электрической сети системы нетрадиционной энергетики с целью повышения качества выпрямленного напряжения;
разработаны методика расчета и описания электромагнитных переходных процессов в многофазных трансформаторах, индукционных и фазорегуляторах с вращающимся магнитным полем (ВМП);
введено понятие и обоснована физико-математическая сущность и структура электромагнитно-механической совместимости (ЭММС) нескольких ДЭМ-Г, работающих в парке, а также выработаны пути повышения ЭММС;
разработана методика теплового расчета ДЭМ-Г, построена ее полная тепловая схема замещения и разработана методика определения ее параметров применительно к принятой системе охлаждения ДЭМ-Г;
- разработан и обоснован способ ступенчатого регулирования мощно
сти различных Д-М, обеспечивающий существенное (на 50-70%) повышение
энергетического показателя (г| cos ф) недогруженных АД в САЭ.
Практическая значимость. На основе выполненных исследований решены практические задачи разработки и проектирования САЭ нового поколения путем интегрирования традиционных (М-Г) и нетрадиционных (ДЭМ-Г) генерирующих установок в едином агрегате, работающем на различные потребители; разработаны новые методы формирования и расчета магнитных и электрических цепей различных нетрадиционных ЭМПЭ (источников и потребителей), в том числе с широким использованием в качестве магнитопроводов конструкционных сталей различных марок.
Полученные в работе результаты позволяют решать следующие практические задачи:
создавать перспективные комплексные САЭ на базе-традиционных и возобновляемых источников энергии различной природы, обеспечивающие потребителей электрической и тепловой энергией при их параллельном включении в единой энергетической установке; разрабатывать комплекс мероприятий, обеспечивающий электро-магнитно-механическую совместимость (ЭММС) в САЭ с широким использованием различных видов ВИЭ;
создавать новые высокоэффективные источники электрической энергии с широким одновременным использованием, по крайней мере, двух разнородных возобновляемых источников энергии;
рассчитывать температурное поле этих источников (ДЭМ-Г) с учетом обеспечения ЭММС, значений электромагнитных нагрузок и интенсивности охлаждения энергетической установки; моделировать их температурное поле, что позволяет учесть как неравномерность теплоотвода в машине, так и геометрические формы, теплофизические свойства элементов обмотки, изоляции и магни-топровода машины, а также условия теплообмена между элементами конструкции машины;
разрабатывать высокотехнологичные и высокоэффективные конструкции аксиальных многофазных трансформаторов, индукционных и фазорегуляторов с ВМП, основанных на принципе магнитного совмещения;
разрабатывать широкий класс рабочих машин аксиальной конструкции с максимально упрощенной кинематической схемой по системе Д-М, а именно: двигатели-насосы (Д-Н), двигатели-вентиляторы (Д-В), двигатели-дезинтеграторы (Д-Д) и др.
Практическую значимость имеют технические решения по конструированию и технологии изготовления различных источников и потребителей электрической энергии, защищенные патентами на изобретения, авторскими свидетельствами и патентами на полезные модели РФ.
Реализация результатов работы. Разработанные программное обеспечение, конструкции и рекомендации использованы при создании ряда макетных,
опытных и опытно-промышленных образцов многофазных трансформаторов с ВМП и различных двигателей-машин с предельно упрощенной кинематической схемой.
Различные аспекты диссертационной работы использованы следующими научными, научно-производственными, учебными и производственными организациями России, Швеции и Китая:
Кубанский государственный технологический университет (г. Краснодар) - разнообразные двигатели-машины (Д-М), двухмерная электрическая машина ДЭМ-Г и многофазный аксиальный трансформатор с ВМП в учебном процессе;
Краснодарский электроремонтный завод (г. Краснодар) - многофазный сварочный трансформатор с ВМП и двухмерная электрическая машина-генератор (ДЭМ-Г);
Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков -многофазные трансформаторы, индукционные и фазорегуляторы с ВМП и разнообразные Д-М и генератор ДЭМ-Г в научно-исследовательской работе и в учебном процессе;
Проблемная лаборатория по использованию магнитных полей в онкологии при Кубанском государственном медицинском университете (г. Краснодар) - магнитотурботрон (МТТ) при практическом лечении онкозаболеваний;
научно-производственная компания «Ритм» (г. Краснодар) - двухмер-' ная электрическая машина - генератор (ДЭМ-Г), магнитотурботрон (МТТ);
- завод «Тензоприбор» и его правоприемник «Машприбор» (г. Красно
дар) - многофазные трансформаторы индукционные и фазорегуляторы с ВМП и
двигатель-насос (Д-Н);
Фирма «Alfa-Laval» (Швеция) - высокоскоростные двигатели-машины;
- Фирма «Baiguan» (Китай) - асинхронные двигатели аксиальной конструкции, в том числе, двухскоростные.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены: на международной науч.-техн. конференции «ЕЛМА-90» (Болгария, Варна, 1990 г.), на 6-й международной науч.-техн. конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Киргизия, Бишкек, 1991 г.), на международной науч.-техн. конференции «Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности» (Краснодар, 1994 г.), на 2-й международной науч.-техн. конференции по электромеханике и электротехнологии - ICEE - 96 (Крым, 1996 г.), на 3-й международной науч.-техн. конференции «Электромеханика и электротехнология ICEE - 98 (г. г. Москва - Клязьма, 1998 г.), на 4-й международной науч.-техн. конференции МКЭЭ-2000 (г. г. Москва - Клязьма), на международной науч.-техн. конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств (Краснодар, 2002 г.), на 5-й международной науч-.,-техн. конференции «МКЭЭЭ - 2003» (Крым - Алушта, 2003 г.), на международной науч.-техн. конференции «Возобновляемая энергетика - 2003» (С-Петербург-2003 г.), на 4-й международной науч.-техн. конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2004 г.), на Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК - 99 (Москва, 1999 г.), на Всероссийском электротехническом конгрессе (г. Москва, 2005 г.), на всесоюзной науч.-техн. конференции «Современные проблемы электромеханики» (Москва, 1989 г.), на науч.-техн. конференции «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями» (Екатеринбург, 1998 г.).
В полном объеме работа обсуждена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов (ЭКАО)» Московского энергетического института (ТУ) в 2005 г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 47 научных публикациях, в том числе - одной монографии (объемом 23,25 п.л.), 35 научных статьях и 12 патентах РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 329 наименований, приложения. Ее содержание изложено на 301 странице, проиллюстрировано 85 рисунками и содержит 12 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы, определена решаемая научно-техническая проблема, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, описана структура работы.
В первой главе дан краткий аналитический обзор состояния развития нетрадиционной энергетики, обоснованы научные подходы к проблеме использования возобновляемых источников энергии (ВИЗ), обоснованы научные экономические, экологические и дидактические аспекты широкого использования ВИЗ.
Во второй главе обоснованы принципы построения и разработана структура комбинированной системы автономного электроснабжения (САЗ), потребляющая два разнородных вида ВИЗ. При этом на основании реальных данных метеослужб России и некоторых стран дальнего зарубежья (Китая и Сирии) выявлены наиболее эффективные по мощности и сдвигу во времени ВИЗ - солнце и ветер, обеспечивающие при их сложении достаточное сглаживание и значительную суммарную мощность для последующего преобразования в электрическую энергию суммарной величины.
Разработанная САЗ предусматривает электроснабжение потребителей I, II и III категорий в соответствии с требованиями ПУЗ, а также холодо- и теплоснабжения соответствующих потребителей.
Третья глава посвящена оптимизации комплексной системы автономного электроснабжения, разработке алгоритма оптимизационных расчетов КСАЭ, а также анализу и выработке математической и физической сущности электромагнитно-механической совместимости (ЭММС) в разработанной системе. Приведены необходимые математические интерпретации ЭММС и схемное решение для ее обеспечения для парка ДЭМ-Г, входящих в единую КСАЭ.
Четвертая глава посвящена разработке конструкции основного звена раз-
работанной комбинированной САЭ, а именно - двухмерной электрической машины-генератора (ДЭМ-Г). При этом рассмотрены варианты ДЭМ-Г радиальной и аксиальной конструкции, а также конструкции управляемых и неуправляемых, с совмещенными и раздельными якорными обмотками.
Пятая глава содержит результаты математического моделирования электромагнитных, электромеханических и тепловых переходных процессов в ДЭМ-Г. Основное внимание при этом уделено специфике работы ДЭМ-Г в системе нетрадиционной энергетики - т.е. в режиме непрерывного переходного процесса, что существенно осложняет тепловой режим машины (генератора). Поэтому особое внимание уделено более тщательному анализу тепловых процессов в ДЭМ-Г, как в теоретическом, так и в экспериментальном планах. При этом получены вполне удовлетворительные результаты совпадения результатов в интервале, не превышающем расхождения более чем на ± 15%.
Шестая глава посвящена разработке конструкций, получению основных энергетических характеристик комплекса различных электротехнических устройств (преобразователей и потребителей электроэнергии), являющихся характерными для разработанной во второй главе САЭ, а именно: высокоэффективных аксиальных трансформаторов, фазо- и индукционных регуляторов с вращающимся магнитным полем. В главе приводится также методика расчета разработанных автором многофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВП), а также их математическое моделирование.
Седьмая глава посвящена разработке и исследованию комплекса различных потребителей электрической энергии аксиальной конструкции по системе двигатель-машина (Д-М), характерных для разработанной во второй главе САЭ, а именно: двигатели-насосы (Д-Н), двигатели-вентиляторы (Д-В), двигатели-дезинтеграторы (Д-Д), магнитотурботроны аксиальной конструкции и др.
С учетом дороговизны электрической энергии, выработанной нетрадиционными способами, в главе разработан вариант повышения эффективности использования электрической энергии за счет повышения энергетического показателя (r\ cos ф) различных потребителей электрической энергии путем переключения первичных (статорных) обмоток.
Научные подходы к проблеме развития нетрадиционных электротехнических комплексов
Активизация работ по широкомасштабному освоению новых источников энергии напрямую связана с двумя факторами, с которыми нельзя не считаться при развитии энергетики будущего: - традиционная (тепловая, атомная и термоядерная) энергетика является «добавляющей», т. е. нагревающей поверхность земли, способной вызвать теп ловой перегрев окружающей среды с вытекающими отсюда глобальными по следствиями экологического характера. В связи с этим неизбежно наступление предела развития традиционной энергетики в недалеком будущем. По предвари тельным данным предельно допустимое значение вырабатываемой на земле в те чение года энергии не должно превышать 3-5 % от энергии, передаваемой на землю солнцем. Увеличение температуры нижних слоев атмосферы на несколько градусов может привести к таянию ледников Гренландии и Антарктиды и затоп лению части суши, на которой сейчас проживает почти четвертая часть населе ния [62]. Суммарная мощность всех электростанций мира (1,5 млрд. кВт) уже соизмерима с мощностью многих явлений природы. Так, средняя мощность воз душных течений на планете 25-35 млрд. кВт, ураганов - 30-4Q млрд. кВт, сум марная мощность приливов - 2-4 млрд. кВт; - темп роста ежегодного потребления энергии в современном мире состав ляет 4-8 % при ежегодном приросте более чем 5-ти миллиардного населения Земного шара на 2-3%, среднем потреблении энергии на душу населения 0,8 кВт и среднем темпе роста национального дохода в странах современного мира на 2 5 % в год. Указанные цифры вытекают из известной [261] простейшей модели потребности общества в энергии для хозяйственных и бытовых нужд R = SN/f = EN, - (1.1) где R - годовая потребность в энергии населения земного шара, состоящего из N человек; E - средние затраты энергии на одного человека в год; S - уровень национального дохода на душу населения, который связан со средними затратами энергии на одного человека в год зависимостью S = fE; f - нелинейная функция многих параметров, физический смысл которой сводится к эффективности использования энергии для производства жизненных благ человека.
Естественно, такой ежегодный прирост выработки энергии недостижим традиционными методами. Отсюда понятен интерес и обоснована необходимость широкого развития недобавляющей (нетрадиционной) энергетики.
Нетрадиционные методы выработки энергии, естественно, требуют создания соответствующих нетрадиционных высокоэффективных систем автономного электроснабжения (САЭ), электротехнических комплексов, высокоэкономичных потребителей энергии и соответствующих систем управления.
С другой стороны, масштабы использования ВИЭ также имеют свои естественные пределы. Так, согласно [62] при использовании более 0,1% падающей на землю солнечной энергии (1,2-1014 Вт) произойдет значительное затенение поверхности планеты, что может привести к смещению климатических зон, уменьшению объема фотосинтеза, к неблагоприятным последствиям во всей биосфере.
В [129] показано, что возможный предел использования каждого из других недобавляющих ВИЭ не должен превышать 0,1% солнечной энергии, а суммарная недобавляющая энергия не должна превышать (2-3)-1014 Вт.
Таким образом, по экологическим соображениям рационально одновременно развивать добавляющую и недобавляющую энергетику (традиционную и нетрадиционную) примерно равномерно, исходя из предельной мощности каждого вида энергетики - не более 1,2-1014 Вт. Естественно, что выполнение этого главного условия должно идти по пути комбинированного, комплексного использования ВИЭ, эффективно дополняющих друг друга в различных условиях, обеспечивающих комплексную экономическую и экологическую эффективность объединяющих их энергетических и природотехнических систем.
Следует заметить, что известные современные методы освоения ВИЭ в ос 25
новном традиционными преобразователями энергии не могут учесть всю гамму предъявляемых к ним порой противоречивых требований, а потому их следует признать малоэффективными и неперспективными. Все это приводит к необходимости разработки нетрадиционных электромеханических преобразователей (ЭМП) и систем, особенно при комплексном использовании ВИЭ. Одним из рациональных вариантов нетрадиционных ЭМП может быть конструкция двухмерной электрической машины (ДЭМ), разработанной на уровне изобретения [212] и детально исследованной в работах [77-108].
Как известно, из всех видов энергии ВИЭ только солнечная энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую. Исключение составляет тепловая энергия, которая с помощью магнитотепловых преобразователей энергии может быть преобразована в электрическую при условии достижения точки Кюри. Все остальные виды энергии ВИЭ, как известно, могут быть преобразованы в электрическую только посредством промежуточного преобразования в механическую, которая затем известным способом (с помощью традиционных генераторов) преобразуется в электрическую. Большинство ВИЭ является источниками механической энергии (гидроисточники, ветроисточники, волны-приливы-отливы и др).
Технико-экономическое обоснование разработки комплексной системы автономного энергоснабжения
С экономической точки зрения наибольшую привлекательность из приведенных в главе 1 характеристик ВИЭ имеют их «бесплатность» и неистощае 44 мость. В перспективе именно эти свойства ВИЭ обещают большую стабильность энергетики на их основе, чем это возможно при использовании традиционных энергетических ресурсов, особенно топливных, например нефти, газа и др.
Вместе с тем большие различия в ВИЭ, естественно, повлекут такое же разнообразие социально-экономических последствий, основное из которых -рассредоточение населения. Последнее объясняется другими характеристиками ВИЭ, а именно низкой плотностью на земной поверхности и их рассеянностью в пространстве. Если в традиционной энергетике проблемным является вопрос распределения, рассредоточения энергии в силу высокой ее концентрации, то в нетрадиционной энергетике проблемный вопрос имеет противоположный характер, а именно - концентрация энергии, полученной от ВИЭ. А это, как указано выше, сложно и дорого. Поэтому по мере роста доли нетрадиционной энергетики следует ожидать прекращение чрезмерной концентрации населения, его рассредоточение и образование новых мегаполисов.
Рациональным, находящимся между этими двумя крайностями, следует признать вариант энергетики, основанный на комплексном (комбинированном) использовании нескольких ВИЭ одновременно в одной энергетической установке, которой является двухмерная электрическая машина (ДЭМ), преобразующая одновременно энергию двух видов ВИЭ, например солнца и ветра, в электрическую энергию (либо в механическую при двигательном режиме работы).
Анализ известных ВИЭ с целью выбора наиболее рациональных источников для сельской местности Южного Федерального округа Российской Федерации показывает, что наиболее эффективно использование энергии ветра в комбинации с энергией солнца как наиболее мощных природных энергетических потоков, с одной стороны, и сравнительно недорого преобразуемых в электрическую энергию - с другой. Аналогичный вывод характерен и для ряда других регионов России (Дальний Восток, Западная и Восточная Сибирь, Урал, Поволжье) [14,30-34,255-258].
Мощность ветрового потока, отнесенная к 1 м2 площади, перпендикулярной к направлению ветра, определяется выражением [62] P = 0,5pV\ (2.1) где p = 0,125 кг с11 м4 = 1,226 10"3 кВт I м2 -{м! с)"3 - средняя плотность воздуха приземного слоя атмосферы; V - скорость ветра, м/с.
Используя (2.1), получим природный энергетический потенциал ветровой энергии у r max —ТГ» W = Рср Тгпд = \W{V)dV = E-sjL \v f(V)dV, (2.2) где Рс - среднегодовая мощность ветрового потока, кВт/м2; т = 8760 ч. - количество часов в году; W(V) - дифференциальная функция распределения ветро-энергетического потенциала при V = 1 м/с, кВт-ч\м V(V) = jLVif n (2.3) где f(V) - дифференциальная функция годового распределения скорости ветра при V = 1 м/с, %. Тогда связь между интегральной и дифференциальной функциями распределения скорости ветра получает вид v I о о где Ф(У) - интегральное распределение (повторяемость) скорости ветра по градациям; АФ - приращение повторяемости скорости ветра.
Используя (2.4), можно получить годовой энергетический потенциал по приращениям АФ годового распределения скорости ветра W s - - - J К3ДФ(П =0.0537 J У3АФ(Г). і2-5) 200 о о Интегральную повторяемость (ветрообеспеченность) по (1.5) выразим в часах. Тогда T(V) = Ф(У) = 87,6 Ф(У). (2-6)
Энергетический потенциал ветра возрастает с увеличением скорости ветра при увеличении высоты, которая в приземном слое изменяется по степенному закону -L = (Ar, (2.7) vcp Ч где V я уф- скорости ветра на расчетной высоте h и на стандартной высоте /гф соответственно; а - показатель степени, зависящий от скорости ветра. С увеличением последней этот показатель уменьшается. Так при увеличении скорости ветра от 0 до 14,5 м/с этот показатель уменьшается от 0,2 до 0,125.
Общие сведения и задача повышения эффективности КСАЭ
Заметим, что еще в 1991 г. международная группа экспертов по энергетике и окружающей среде выполнила анализ экономической эффективности производства электроэнергии по более 40 видам различных технологий [34, 268]. Из материалов анализа следует, что даже в относительно отдаленной перспективе с традиционной энергетикой смогут конкурировать только некоторые ВИЭ, в частности - малые ГЭС, геоТЭС на ближнем тепле (т.е. на горячих источниках и гейзерах) и ВЭУ. Потому именно эти виды ВИЭ должны рассматриваться как приоритетные для первоочередного развития и внедрения в практику. Другие виды ВИЭ еще долго будут оставаться экономически нецелесообразными, и их применение могут оправдать только особые соображения, превалирующие над экономическими.
Данное замечание столь авторитетной группы экспертов является подтверждением правильности выбранного нами направления развития нетрадиционной энергетики, основанного на комбинированном использовании энергии ветра и солнца, как двух наиболее мощных и действующих практически в противофазе ВИЭ, с помощью ДЭМ-Г.
В мировой практике известны и другие, логически оправданные направления развития вышеприведенного значения группы экспертов, делающие пока свои первые шаги, а именно: комплектация ВЭУ на базе двух генераторов, рассчитанных на разную частоту вращения и автоматически переключающихся в зависимости от скорости ветра; делаются попытки использования в ВЭУ электрических машин двойного питания, обеспечивающих постоянство частоты тока при переменной частоте вращения; вводится выпрямление переменного тока в постоянный с последующим его инвертированием. Используются другие технические решения. В ряде случаев применяется разделение вырабатываемой электроэнергии на два потока: основной - с высокими параметрами качества и вспомогательный (для нагрева воды или воздуха) - с низкими параметрами.
Как известно, база данных для проведения оптимизационных расчетов состава и структуры комплексной системы автономного электроснабжения (КСАЭ) формируется на основе анализа режимов функционирования (АРФ) разработанной выше КСАЭ.
АРФ включает в себя анализ индивидуальных и групповых потребителей, на основании которого производится синтез индивидуальных и групповых графиков электрической и тепловой нагрузок и синтез режимов потребления этих видов энергии в течение суток.
Значительным этапом этого анализа является получение интегрального графика нагрузки на систему ДЭМ-М-Г при работе либо совместно, либо порознь (в зависимости от уровня нагрузки), а также получение графика общего потребления тепловой и электрической энергии.
Анализ электрической и тепловой нагрузок является основой для выполнения оптимизационных расчетов КСАЭ на базе ДЭМ. Этот анализ показывает, что перевод потребителей тепловой энергии на энергообеспечение от неосновного силового источника - ДЭМ-М-Г позволит уменьшить их суммарную установленную мощность, а следовательно, капитальные и эксплутацион-ные затраты на него. Однако при этом ухудшится график электрической нагрузки для системы ДЭМ-М-Г, если не отыскать способ «среза пики нагрузки» между 9-12 и 19-23 часами. Последнее легко может быть реализовано с помощью СЭП (в дневное время) и с помощью ветротурбины (ВТ) или АБ в вечернее и ночное время.
Перевод большей части электрической и тепловой нагрузок с системы ДЭМ-М-Г на другие источники может обеспечить снижение установленной мощности этой системы до 30-50%, но никогда не позволит полностью отказаться от нее.
Соотношение установленной мощности оборудования в системе по рис. 2.1 может быть определено путем постепенного замещения установленной мощности синхронного генератора Г и ДЭМ-Г, исходя из графика нагрузки системы ДЭМ-М-Г, (при котором все потребители обеспечиваются энергией от этой системы) подсистемами СЭП и СТП.
При этом расчет стоимости приведенного 1 кВт ч энергии для каждого шага замещения покажет, для какого шага эта стоимость будет минимальной.
Учтем, что энергообеспечение потребителей КСАЭ по рис. 2.1. включает в себя обеспечение потребностей объекта не только в электрической энергии, но и в отоплении, горячем водоснабжении, а также -ив холодоснабже-нии. Для разработанной КСАЭ эти тепло- и холодотехнические составляющие энергобаланса системы весьма интересны в теоретическом плане, перспективны и эффективны в практическом. Это обусловлено тем, что системы отопления (охлаждения), хозяйственно-бытового и горячего водоснабжения обладают существенными аккумулирующими свойствами.
Обоснование конструкции и основы теории ДЭМ-Г
Полученные зависимости подтверждают эффективность комплексного использования двух видов ВИЭ, в данном случае - солнца и ветра, в одной энергетической установке ДЭМ-Г, работающей в единой системе с серийной мотор-генераторной установкой. Так, при полной загрузке серийной энергетической установки М-Г мощностью 30 кВт удельный расход топлива составляет 0,533 кг/кВт.ч, а при совместной работе с ДЭМ-Г также мощностью 30 кВт - всего 0,266 кг/кВт.ч. Причем в последнем случае мощность энергии, вырабатываемой КСАЭ, составляет 60 кВт, т.е. в 2 раза больше, чем в первом случае.
Следует отметить, что полученные экономические показатели будут существенно выше при работе одного агрегата ДЭМ-Г (без параллельной с М-Г) в случае, когда присутствуют в достаточном объеме солнечная и ветровая энергия.
Таким образом, все вышесказанное подтверждает экономическую целесообразность развития нетрадиционной энергии на базе комплексного использования ВИЭ с помощью энергетической установки - ДЭМ-Г в совокупности с М-Г. При этом М-Г служит, главным образом, резервным источником для обеспечения электропитанием потребителей I категории в случае отсутствия энергии ветра и солнца одновременно.
Как известно, основным критерием сравнения вариантов является удельная стоимость суммарного количества энергии: электрической, тепловой и холода, потребляемой объектом в год [103,104] SZ„ —+ ZZ.+A/ — C„= -, (3.5) Wr где Y2K - общие капитальные затраты за год, $; Т0 - заданный минимальный срок окупаемости (обычно Т0 = 3 года); EZ3 - общие эксплуатационные затра ты за год, $; At - дисконтируемая сумма через t лет, $; Wr -суммарное количество энергии, потребляемое объектом в год (определяется по графику нагрузки), кВт - ч.
В свою очередь общие капитальные затраты ZZK по (3.5) определяются, как сумма составляющих отдельных капитальных затрат на создание САЭ iZK = ZKX + ZK2 + ZK з + ZK4 + ZK5, (3.6) где Zn - капитальные затраты в год на систему ДЭС (дизель + генератор + ДЭМ, $; ZK2 - капитальные затраты в год на СЭП, $; ZKi - капитальные затраты в год на СТП и систему утилизации тепла, $; ZKi - капитальные затраты в год на ветротурбину (ВТ), $; ZKi - капитальные затраты в год на систему холода (Т-Х и ХМ), $.
Составляющие общих капитальных затрат по (3.6) равны капитальным затратам на систему ДЭС - ДЭМ в год К\ №куДЭС ДЭС + куДЭМ "дЭМ ) ДЭС+ДЭМ W. /) где Z x, ZKym - удельные капитальные затраты на ДЭС и ДЭМ, $/кВт; при этом величина Z является функцией от Рдэс, т.е. І дзс =ДРДЭС) (рис. 3.2); Рдэс Рдэм - установленные мощности ДЭС и ДЭМ, кВт; Кдэс+дэм - коэффициент удорожания на создание системы ДЭС - ДЭМ.
Капитальные затраты на систему СЭП - АБ - И В где 2куСЭП, ZKyAB, Z u, ZkyB - удельные капитальные затраты на СЭП, АБ, И -инвертор и В - выпрямитель, $/кВт; Рсэ/7, QMi Ри\ Рв - установленные мощности СЭП, АБ, инвертора, выпрямителя, $/кВт; Ксэп - коэффициент удорожания на создание системы СЭП. Капитальные затраты на систему обеспечения тепла къ \ куст"стп + КУТА"ТА)К-СТП , \3.У) где ZKyCTn, ZKyTA - удельные капитальные затраты на СТП и ТА, $/кВт; Рстп, РТА - установленные мощности СТП и ТА, кВт; Кст - коэффициент удорожания на создание системы СТП, включая стоимость системы утилизации тепла (СУТ)(рис.2.1).
Капитальные затраты на ветротурбину К4 = куВт"вТ -ВТ 5 \5.\.\J) где 2фТ - удельные капитальные затраты на ветротурбину - ВТ, $/кВт; Рвт -установленная мощность ВТ, кВт; Квт - коэффициент удорожания на создание системы ВТ, обеспечивающей вращение ДЭМ.
Капитальные затраты на систему холодообеспечения КЬ У куТ-Х "г-Х " " куХМ "хм ) Т-Х-ХМ \У" U где Z x, ZK XU - удельные капитальные затраты на преобразователь тепло-холод (Т - X) и холодильную машину (ХМ), $/кВт; Рт_х, Рш - установленные мощности преобразователя Т-Х и ХМ, кВт; Кт_х_ш - коэффициент удорожания на создание системы Т-Х-ХМ.
Общие эксплуатационные затраты SZ3 в год по (3.5) определяются как сумма составляющих отдельных эксплуатационных затрат на создание САЭ i,Z3 = Z31 + Z32 + Z33 + Z34 + Z35, К? - ") где Z3I,..., Z35 - эксплуатационные затраты на систему ДЭС - ДЭМ, СЭП, СТП, ВТ, ТХ-ХМ соответственно, $. При расчете этих затрат следует отметить, что эксплуатационные затраты на систему ДЭС-ДЭМ сводятся (в основном) к эксплуатации всего силового энергоблока ДЭМ-М-Г (рис. 21).
