Синтез и структурная оптимизация комплексной системы нетрадиционной энергетики на базе двухмерных электрических машин Чэн Пэн

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ состояния развития нетрадиционной энергетики и постановка задачи

1.1. Общие сведения о нетрадиционной энергетике 10

1.2. Научные аспекты развития нетрадиционной энергетики Китая 12

1.3. Характеристики и классификация возобновляющихся источников энергии 19

1.4. Экономические и экологические предпосылки комплексного использования возобновляющихся источников энергии 22

1.5. Выводы по главе 1 и постановка задачи. 25

2. Развитие нетрадиционнй электромеханики, как важнейший фактор развития нетрадиционной энергетики

2.1. Общие сведения о вторичных преобразователях энергии в системе нетрадиционной энергетики 26

2.2. Разработка конструкции двухвходовой электрической машины (ДЭМ) 29

2.3. Основы теории и энергетическая соотношения в ДЭМ 40

2.4. Обоснование необходимости и разработка управляемых ДЭМ Разработка ДЭМ-Г 45

2.5. Математическое моделирование ДЭМ-Г 53

2.6. Выводы по главе 2 56

3. Синтез комплексной системы нетрадиционной энергетики (СНЭ) на базе ДЭМ

3.1.Шиегфинципы построения системы 58

3.2. Технико-экономический анализ и особенности системы автономного энергоснабжения на базе ДЭМ 59

3.3. Характеристики основных элементов преобразования энергии в сообщенной структуре СНЭ 69

3.4. Особенности выбора элементов электрического и теплового каналов преобразования энергии 79

3.5. Энерготехнологический аудит объектов СНЭ 86

3.6. Выводы по главе 3 92

4. Оптимизация структуры СНЭ на базе дэм выбор состава и мощности основного оборудования

4.1. Общие сведения по оптимизации структуры СНЭ 94

4.2. Вывод основных соотношений оптимизационного расчета, Допущения и ограничения 95

4.3 Разработка алгоритма оптимизационных расчетов 105

4.4. Прогнозирование и комментарий результатов возможных оптимизационных расчетов 110

4.5. Вывод по главе 4 111

Заключение 114

Литература 116

• Экономические и экологические предпосылки комплексного использования возобновляющихся источников энергии
• Обоснование необходимости и разработка управляемых ДЭМ Разработка ДЭМ-Г
• Характеристики основных элементов преобразования энергии в сообщенной структуре СНЭ
• Вывод основных соотношений оптимизационного расчета, Допущения и ограничения

Введение к работе

Едва начавшейся эре энергии ископаемого топлива и рек уже сейчас грозит закат в силу обостряющейся экологической ситуации, возрастающего энергетического кризиса, близкого к истощению состояния ис : копаемого топлива, а также смещения перспективных взглядов на ядерную энергетику.

Эти естественно, привели к активизации поисков других нетрадиционных, экологически чистых, практически неисчерпаемых возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как: энергии Солнца, ветра, малых рек, биотоплива, приливов-отливов, морских волн и морских подводных !; течений, геотермальных вод и др. При этом естественной является попытка ![ обойтись без многоступенчатой схемы преобразования энергии, а в идеальном v случае - достичь непосредственного, прямого безмашинного преобразования Ї энергии.

Однако вопросы непосредственного преобразования энергии не нашли заметного развития, в силу чего вопросы использования ВИЭ в большинстве своём решаются с использованием электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ), т. е. электрических машин (ЭМ).

Однако использование для этой цели традиционных ЭМ либо вовсе невозможно, либо неэффективно из-за невысокой плотности потока ВИЭ и прерывистого, случайного (недетерминированного) характера поступления последних.

Таким образом, перспектива расширенного использования ВИЭ напрямую связана с проблемой разработки новых типов ЭМ и систем управления или, т. е. - с развитием нетрадиционной электромеханики.

В развитие этого положения в Кубанском государственном технологическом университете (КубТТУ) под руководством профессора Гайтова Б.Х. создана оригинальная конструкция двухмерной электрической машины (ДЭМ), потребляющей одновременно энергию Солнца, предварительно преобразованную в электрическую, и энергию ветра (биогаза, геотермальной воды и т. д.), преобразованную в механическую энергию вращения. На выходе ДЭМ снимается суммарная энергии в зависимости от режима работы машины.

Помимо электрической энергии от системы нетрадиционной энергетик (СНЭ) зачастую требуется ещё и тепловая (тепло-холод) энергия, что ещё более осложняет вопрос разработки и оптимизации структуры СНЭ.

Различным аспектам данной проблемы посвятили свой работы Ахмедов Р.В. /7/, Берковский Б.М. /9/, Васильев Ю.С. /15-17/, Виссарионов В.И. /18/, Волшаник В.В. /19/, Гайтов Б.Х. /20-29/, Гайтова Т.Б. /30-38/, Копылов И.П. /61-63/, Красавин В.В. /64/, Лидоренко Н.С. /66/, Михайлов Л.П. /70/, Обрезков В.И. /77/, Рензо Д. /81/, Самородов А.В. /26,27,87/, Удел С. /97/, Шарифуллин СР. /24,25,101/, Juul /105/, Шеу G.M . /107/, Pontin G. W-W. /108/ и др. отечественные и зарубежные ученые.

Вместе с тем, в настоящее время не существует в законченном виде методик энерготехнологического аудита, которые обеспечивали бы комплексную предварительную оценку вариантов энергообеспечения объектов и практически нет методик, позволяющих выбрать рациональный способ комбинированного использования нескольких видов ВИЭ в СНЭ. Совершенно отсутствуют сведения по электромагнитной совместимости в подобных системах.

Тема работы связана с научно-технической программой Т. 14. 01 "Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием ВЙЭ и осуществить широкомасштабный эксперимент по их применению для объектов агропромышленного назначения", а также с Краснодарской краевой комплексной программой "Энергетическая стратегия Кубани на период 2002-2012 годы", разработанной на основании распоряжения № 1703-р от 29. 12. 2001г. Главы адвдшистрации Краснодарского края. Цель работы- Целью работы является синтез комплексной системы нетрадиционной энергетики (электричество и тепло-холод) на базе двухмерной электрической машины и разработка энерготехнологического аудита, обеспечивающего оптимизацию структуры и состава оборудования этой системы.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- обоснована целесообразность и показана перспективность построения комплексной СНЭ на базе ДЭМ;

- разработан энергоаудит, обеспечивающий комплексную предварительную оценку вариантов энергообеспечения;

- разработана методика синтеза оптимальной структуры комплексной СНЭ на базе ДЭМ;

- на основе разработанной методики синтеза построена комплексная СНЭ на базе ДЭМ, обеспечивающая электрической и тепловой (тепло-холод) энергией.

Методы исследования. В теоретических исследованиях автором использована теория обобщенного электромеханического аппарата матричного анализ ЭМ, теория электромагнитного поля и метод синтеза ЭМ. Поставлен-! ные задачи решены аналитическими экспериментальными методами с использованием, в целесообразных случаях, метода планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проведены на специально разработанном стенде.

Научная новизна. В работе решены теоретические основы построения комплексной СНЭ на базе ДЭМ и вьшолнена оптимизация структуры и состава оборудования этой системы, а именно.

- обоснована целесообразность и эффективность комплексного использования ВИЭ с помощью специально разработанной ДЭМ;

- разработана математическая модель ДЭМ; - разработан энерготехнологический аудит для рационального построения комплексной (электричество и тепло-холод) СНЭ;

- выполнена оптимизация структуры и состава оборудования комплексной СНЭ;

- разработан алгоритм технико-экономической оптимизации объектов и систем комплексной СНЭ.

Практическая ценность. Работа имеет прикладной характер и ставит своей основной задачей повысить эффективность использования ВИЭ. В связи с этим в работе решены следующие практические вопросы:

- выполнен анализ типовых нагрузок комплексной СНЭ в общем, и для Китая, в частности;

- разработана схема электро-, тепло (холодо) - снабжения комплексной СНЭ на базе ВИЭ, адаптированная и условиям Китая;

- разработана инженерная методика энерготехнологического аудита, применительно к условиям Китая;

- разработана методика синтеза оптимальной структуры комплексной

ЛснЭнабазеДЭМ Реализация результатов работы. Научные результаты работы использованы в НПО "Квант" при разработке системы автономного энергообеспечения жилых объектов с использованием ВИЭ в пос. "Черноморский" Краснодарского края, на заводе "Тензоприбор" (г. Краснодар) при изготовлении ДЭМ, в отчетах по научно-исследовательской работе по Российской Н-Т программе (шифр ТЛ4.01), а также в учебном процессе по курсам "Электромеханика" и "Электроснабжение промышленных предприятий" и в дипломных проектах по специальности 10.04 "Электроснабжение1 . Автор защищает:

- методологию комплексного использования ВИЭ с помощью ДЭМ;

- рациональную структуру комплексной СНЭ, обеспечивающей электрической и тепловой (тепло-холод) энергией; - энерготехнологический аудит для рационального построения комплексной СНЭ;

- алгоритм технико-экономической оіттимизации объектов и систем комплексной СНЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на международной научно-технической конференции "Рациональные пути использования вторичных ресурсов в АПК" (г. Краснодар. 1997г.), на региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергосистем" (Краснодар, 1998 г.), на всероссийской научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока" (г. Екатеринбург, 1998г.), на всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК-99 (г. Москва, 1999г.), на второй межвузовской конференции "ЭМПЭ" (Краснодар, 2003 г.), на совместном заседании кафедр Электротехники и Электроснабжения промытленных ііредприятий КубГТУ (Краснодар, 2003 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано !.к.12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и приложения. Общий объем работы 126 с. машинописного текста, включая 25 рис. на 16 страницах, 9 таблиц.

В первой главе дан анализ современного состояния развития нетрадиционной энергетики, приведены научные аспекты её развития, приведены характеристики и классификация ВИЭ.

Во второй главе обоснована целесообразность комплексного освоения ВИЭ, приведена конструкция, основы теории и основные энергетические соотношения в ДЭМ. Третья глава посвящена синтезу комплексной системы нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ с учетом технико-экономического анализа и особенностей характеристик ДЭМ.

В четвертой главе выполнена оптимизация структуры СНЭ на базе ДЭМ, разработан алгоритм оптимизационных, расчётов.  

Экономические и экологические предпосылки комплексного использования возобновляющихся источников энергии

Если традиционная энергетика воздействует на общество, сосредотачивая его вокруг крупных мегаполисов, имеющих мощные электростанции, то по мере роста доли нетрадиционной энергетики следует ожидать не только прекращения дальнейшей концентрации общества, но и его рассредоточение, образуя массу малонаселенных пунктов. Это другая крайность размещения общества, которая вызовет ряд новых осложнений, отсутствующих сегодня — в эпоху крупной традиционной энергетики.

Рациональным, находящимся между этими двумя крайностями, следует признать вариант энергтетики, основанный на комплексном (комбинированном) использовании нескольких ВИЭ одновременно в одной энергетической установке, которой является двухмерная электрическая машина (ДЭМ), преобразующая (как указано в Введении) одновременно энергию двух видов ВИЭ.

Автор произвёл анализ известных ВИЭ в условиях Китая с целью выбора наиболее рациональных источников. Анализ показан, что наиболее эффективна комбинация энергии Солнца и ветра, как наиболее мощных природных энергетических потоков сравнительно недорого преобразуемых в поток электрической энергии.

Такой подход к перспективному развитию энергетики хорошо согласуется с недавними существенными изменениями в Государственной технической политики Китая, России, Индии и др., связанными с отказом от строительства предприятий - гигантов и расчленения действующих гигантов, а также с ускоренной индустриализацией села путём строительства ряда мелких перерабатывающих, строительных, ремонтных и других предприятий. В этом отношении Китай является одной из наиболее благоприятных стран для широкого освоения ВИЭ.

Таким образом, всем ходом развития научно-технической и Государственной политики общества настудила эра широкого использования ВИЭ с целью широкого развития нетрадиционной энергетики. Эго нашло отражение в государственных программах ряда стран мира, в том числе и Китая.

Государственная энергетическая программа академии наук Китая включает в себя: - фундаментальные исследования взаимодействующих энергетических объектов с окружающей средой; - математическое моделирование этого взаимодействия; - создание научно-обоснованной концепции рисков новых и существующих энергетических технологий; - разработку научных основ перехода машиностроения Китая к выпуску энергоустановок с улучшенными экологическими и технико-экономическими параметрами (с учетом их электромагнитной совместимости), отвечающим лучшим мировым достижениям. Несмотря на всё многообразие и разноплановость энергетических программ стран мира, естественно различных по уровню развития, все они едины в одном - обязательном развитии нетрадиционной энергетики с одновременным повышением уровня энергосбережения. Установим взаимосвязь между потребностью общества в энергии и её присутствием на земной поверхности. С этой целью зададимся плотностью присутствия ВИЭ на земной поверхности J=0,5 кВт/м2. Если учесть, что эффективность преобразования энергии ВИЭ в удобное для практического потребления K/=0,04, плотность насыщения в городах с учетом пригородных зон в среднем составляет п= 0,5-10 3 чел/м2 , а для создания комфортных условий жизни современного человека требуется 1=2кВт/чел, то коэффициент востребования Кь энергии ВИЭ человечеством составит Таким образом, уровень возможного использования (востребования) энергии ВИЭ современным человек составляет всего лишь 5% от её присутствия на Земле. Это подтверждается также количественными данными о рекомендуемом объем использования энергии различных ВИЭ на Земле, исходя из экологических соображений /15-17, 52, 55, 57, 77 и др./. Следует отметить, что освоение ВИЭ в разумных пределах, хотя и сопряжено с возникновением экологических проблем, но несравненно меньших, чем в традиционной энергетике, где экологические аспекты проявляются и при выработке топлива, и при его транспортировке, и при его сжигании. Укажем на некоторые общие и сильно проявляющиеся неблагоприятные воздействия ВИЭ при выработке энергии: - отчуждение земельных площадей, их возможная деградация; - возможность утечки вредных рабочих жидкостей, газов, твёрдых частиц, канцерогенных и токсичных веществ; - изменение теплового баланса, влажности;, направления ветра в районе расположения станции; - затемнение больших территорий солнечными концентратами; - шумовые воздействия, электромагнитные, радио- и телевизионные по мехи и др. Таким образом, учет возможных экологических последствий с системных позиций является необходимой операцией для обеспечения оптимальной технологии выбора и использования ВИЭ. Это связано с необходимостью производить технико-экономическое обоснование разрабатываемой системы нетрадиционной энергетики (СНЭ). 1. Обостряющая экологическая ситуация, возрастающий энергетический кризис, близкое к истощению состояние ископаемого топлива, а также смещение в последний период перспективных взглядов на ядерную энергетику остро ставят вопрос изучения и развития нетрадиционной энергетики. Можно сказать, что едва начавшейся эре энергии ископаемого топлива, уже сейчас грозит закат в силу указанных обстоятельств. 2. С учётом низкой плотности распределения ВИЭ на Земле, вероятностного характера их проявления и невозможности воздействия человека на их природные характеристик целесообразно комплексное использование нескольких видов НВИЭ, что обеспечивает повышение количества, а главное качества вырабатываемой энергии, обеспечивает бесперебойность энергоснабжения и позволяет уменьшить мощность накопителя энергии. 3. Одним из рациональных вариантов использования ВИЭ является комплексное использование двух видов ВИЭ, что улучшает качество вырабаты j ваемой энергии и повышает надёжность энергоснабжения. 4. Для повьппения эффективности развития нетрадиционной энергетики целесообразно опережающими темпами развивать нетрадиционную электро механику, изучающую специальные виды ЭМГТЭ, максимально удовлетво ряющие требованиям конкретной ситуации.

Обоснование необходимости и разработка управляемых ДЭМ Разработка ДЭМ-Г

Для систем нетрадиционной энергетики ( СНЭ ) практический интерес представляет генераторный режим работы ДЭМ; такие машины назовём ДЭМ-Г.

В данной работе при разработке ДЭМ-Г рассматривались два возможных варианта их исполнения, а именно: якорь выполнен с электрически совмещенной обмоткой - конструкция ДЭМ — ГС и якорь выполнен с двумя раздельными обмотками — конструкция ДЭМ — ГР. В первом случае обмотка якоря является одновременно проводником постоянного тока, поступающего на зажимы якорной цепи и затем инвертируемого коллектором в знакопеременный меандр, а также переменного тока индуктируемого в якорной обмотке в результате электромеханического преобразования энергии в ДЭМ. Во втором случае якорь имеет две раздельные, электрически не связанные обмотки для проведения указанных токов.

Результат сложения двух указанных токов в ДЭМ — ГС напоминает аналогичное техническое решение» составляющее основу известного одноякорного І преобразователя академика М.П. Костенко.

К достоинству ДЭМ - ГС следует отнести более выгодное использование активных материалов — меди и стали, в силу чего их конструкция получается более компактной и более дешевой в среднем на 6-8%. Вместе с тем им при-ч j сущ больший (в сравнении с ДЭМ — ГР) уровень несинусоидальности выход ного напряжения, а также большая трудность стабилизации параметров вы-і входного напряжения переменного тока генератора. Последнее обстоятельство связано с тем, что уровень выходного напряжения в ДЭМ — ГС зависит не только от потока возбуждения, создаваемого ротором, но и от напряжения постоянного тока, подаваемого на коллектор машины. От величины этого напряжения зависит также частота вращения якоря, а следовательно, и частота выходного напряжения генератора.

Таким образом, исходя из известных в практике стрицательных проявлений качества электроэнергии на хар актеристики всевозможных потребителей, в СНЭ следует отдавать предпочтение ДЭМ — ГР, как обеспечивающего более высокие показатели качества электроэнергии переменного тока.

Однако, если говорить о качестве электроэнергии ДЭМ — Г в общей случае, то никакая конструкция генератора данного типа (как впрочем и любого другого, тем более) не может обеспечить сколько — нибудь удовлетворительное качество выходного напряжения в силу непредсказуемости, непрерывности и большого диапазона колебания ВИЭ, являющихся входными величинами ДЭМ-Г.

В связи с этим, представляется обязательным наличие в любой системе нетрадиционной энергетики, в том числе и на базе ДЭМ - ГР, специального устройства по стабилизации выходных параметров генератора — повышения качества электроэнергии СНЭ.

Существующие способы повышения качества электроэнергии в традиционной ветроэнергетике условно можно разделить на два вида стабилизации выходных параметров генератора: механическими и электрическими средствами.

В первом случае стабилизируется входная частота вращения синхронного (асинхронного) генератора, используемого в качестве преобразователя энергии ветра в электрическую. Для этого используют различные механические вариаторы, центробежные регуляторы и т.д. Причем стабилизироваться может как частота вращения ветроагрегата, так и непосредственно частота вращения генератора.

Однако ясно, что никакой механический регулятор не может обеспечить достаточную стабильность параметров, как по необходимому быстродействию;, так и по требуемому качеству и диапазону регулирования.

Во втором случае электрическая энергия, вырабатываемая синхронным (или асинхронным) генератором, соединенным непосредственно с ветроагре-гатом "приводится в норму" при помощи добавочной промежуточной ступени преобразования на выходе генератора в виде либо преобразователя частоты, либо блока "вьшрямитель-инвертор".

Использование этих или любых других дополнительных ступеней преобразования энергии, хотя и обеспечивает достаточную стабилизацию выходных параметров электроэнергии, но тем не менее, нельзя признать их удовлетворяющими практику, так как существенно искажают форму выходного напряжения генератора, удорожают установку и снижают надежность работы и энергетические показатели энергосистемы в целом.

Большим достоинством ДЭМ — Г в сравнении с традиционными синхронными и асинхронными генераторами для данного случая является возможность стабилизации выходных параметров более простым и более эффективными способом, вытекающим из принципа работы самого ДЭМ — Г.

На рис. 2Л1 изображен общий вид (в разрезе) предлагаемой стабилизированной (цилиндрического типа) ДЭМ — Г. На рис. 2.12 представлена её электрическая схема.

Стабилизированная ДЭМ — Г содержит якорю 1 машины постоянного тока общепринятой конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, с щетками 5, к которым подключены провода 6. В пазах 3 также уложена трёхфазная генераторная обмотка переменного тока, соединенная с кольцами 11 посредством проводов 14. Щетки 12 электрически соединены с обмоткой переменного тока и посредством проводов связывают эту (якорную) обмотку с сетью переменного тока с целью передачи выработанной электрической энергии. В корпус 7 впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных двигателей с фазным ротором. Обмотка 9 подключена проводами 10 к кольцам 11, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 12, а щетки 13 связаны с трёхфазным двухполупериодным регулируемым тиристорным выпрямителям 19 проводами 14. Подшипниковые щиты 15 с подшипниками 16, 17 и валом 18 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и ротора 8, а также возможность одновременного их вращения. Трёхфазный двухполупери-одный выпрямитель 19 соединен с блоком коммутации 20.

Характеристики основных элементов преобразования энергии в сообщенной структуре СНЭ

Первичными источниками электрической энергии системы являются: - двухвходовая электрическая машина - генератор ДЭМ, в обмотке якоря которой вырабатывается трёхфазный переменный синусоидальный ток 220/380 В, 50 Гц; - трёхфазный синхронный генератор Г дизель-генераторной установки М-Г, также вь1рабатываюший трёхфазный переменный синусоидальный ток тех же параметров. В качестве вторичного (резервного) источника электрической энергии переменного тока является инвертор И, преобразующий постоянный ток, запасенный аккумуляторной батареей АБ в переменный квазисинусоидальный трёхфазный ток тех же параметров. При этом "излишки" электрической энергии постоянного тока солнечных панелей СЭП, а также энергии переменного тока системы ДЭМ — М — Г (предварительно выпрямленного в выпрямителя В) аккумулируются в аккумуляторной батареи АБ. Потребители электрической энергии переменного тока разделены на І, П и Ш категории ( Пэь —Пэц и ПЭщ) согласно ПУЭ и разделены между собой выключателями нагрузки. Помимо этого в системе предусмотрено питание потребителей постоянного тока =ПЭ.

Комплексная система нетрадиционной энергетики (КСНЭ) предусматривает помимо этого питание потребителей тепловой энергии Пх, осуществляемое от теплового аккумулятора ТА, запитанного, в свою очередь, от СТП и СУТ, а также — питание потребителей холода Пх- Последнее осуществляется от преобразователя "тепло-холод" и специальной холодильной машины ХМ (холодильника) с питанием от сети переменного тока.

Естественно, что широкое использование ВИЭ в виде световой и тепловой энергии Солнца, а также энергии ветра в дополнение к традиционной дизель-генераторной установке М-Г с общим приводным дизелей М является несомненным достоинством данной системы.

Как сказано в главе 1, солнечная радиация и ветер по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности в условиях Китая наиболее перспективны, а тем более - при их совместном использовании в одном энергетическом блоке.

Важно и то обстоятельство, что с помощью абсорбционных установок тепловая энергия СТП и нагрев дизеля М может быть непосредственно превращена в холод, столь необходимый для жаркого климата Китая с целью охлаждения воздуха в зданиях и сооружениях, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. и.

В принципе, расширение масштабов использования энергии Солнца и ветра в условиях Китая обеспечит не только значительную экономию энергоресурсов, но и позволит не обострять экологическую ситуацию.

Однако проблема широкого использования солнечных электрических — СЭП и тепловых - СТП преобразователей в СНЭ неоднозначна и включает в себя целый ряд сложных вопросов, тесно связанных друг с другом и прежде всего — экономических.

Как следует из рис. 3.1, СЭП могут стать составной частью СНЭ, обеспечивающей электроснабжение на трёхфазном переменном токе, только при формировании для них подсистемы, включающей в себя аккумулятор АБ, инвертор И, выпрямитель В, аппаратуру управления, коммутации и распределения. Весь этот комплекс стоит сегодня на мировом рынке свыше 5000$ за 1кВт установленной мощности.

В то же время, эта подсистема с СЭП при переходе на электропитание от дизель-электрической станции представляет собой нелинейную нагрузку и может быть составной частью СНЭ только при выполнении определенных требований. Так, комплекс "выпрямитель - аккумулятор - инвертор" должен иметь мощность по входу не более 30% суммарной мощности синхронного генератора Г и ДЭМ — Г, чтобы не допустить искажения синусоиды и не усложнять работу обоих генераторов. Кроме того выпрямитель в этой системы должен иметь характеристики, обеспечивающие его совместимость с другими потребителями, для чего в ряде случаев может потребоваться сотлясующии трансформатор.

СТП относительно дешевы, долговечны и эффективно преобразовывают энергию Солнца в тепло, которое несложно аккумулировать в ТА (см. рис. ЗЛ), а при необходимости — преобразовывать в холод. Таким образом, СТО через тепловой аккумулятор ТА несложно и эффективно включаются в общую систему получения тепловой энергии от дизель-генератора при утилизации тепла охлаждения энергоблока и выхлопных газов СНЭ, состоящей из ДЭМ — М -Г (см. рис. 3.1).

Однако, централизованная система получения тепла от силовой части комплексной СНЭ, которая в этом случае наиболее эффективна, требует насосов, трубопроводных коммуникаций, вентилей, регуляторов и др. элементов, увеличивающих капитальные затраты и эксгогуатационные расходы. Децентрализованное применение СТП дорого и для разработанной СНЭ малоэффективно, так как в этом случае тепловые аккумуляторы придется для каждой панели в отдельности и их работу будет трудно согласовать с общей системой. Таким образом, оптимизация структуры СНЭ на базе ДЭМ - М — Г с использованием энергии Солнца (световой и тепловой), ветра и дизельного топлива требует комплексного подхода, и очевидно, должно производиться поэтапно. На первое этапе, при принятии решения об инвестирования проекта необходимо определить, в принципе составные части СНЭ, количество и мощности устанавливаемого оборудования и общую структуру системы. На втором этапе необходимо уточнить принципиальные вопросы совместной работы ДЭМ — М - Г и подсистем с солнечными электрическими и тепловыми панелями. На третьей этапе целесообразно перейти к непосредственному проектированию подсистем генерирования, аккумулирования и распределения электрической и тепловой (тепло-холод) энергии. Из перечисленных этапов наименее изученными, в то же время, наиболее важным с точки зрения окупаемости инвестиций и отсутствия общедоступной понятной и убедительной методики является первый и в определенной степени второй этапы. Выбор всех составных частей СНЭ производится на основе технико-экономического анализа, в основе которого лежит принцип минимизации цены вырабатываемой энергии с учетом всех затрат (капитальных, эксплуатационных, процента по выплате кредита).

Вывод основных соотношений оптимизационного расчета, Допущения и ограничения

Наличие экстремума объясняется следующими обстоятельствами, постепенное замещение части мощности ДЭС на ДЭМ, СЭП, СТП и ВТ в области малых нагрузок, естественного, увеличивает капитальные затраты на систему в целом, что в конечном счете приводит к существенному увеличению удельный стоимости вырабатываемой энергии - Суд (см. участок 1 на рис. 4.4).

Дальнейшее наращивание нагрузки СНЭ (за счёт упомянутых выше ДЭМ, СЭП, СТП и ВТ) приводит к значительному уменьшению эксплуатационных затрат, поскольку эти составляющие производства электрической и тепловой энергии не требуют ни топлива, ни масса, а затраты на их обслуживание минимальны (см. участок 2 на рис. 4.4).

Экстремум функции Суд (Рснэ) отыскивается, как область наименьшего значения её при широком варьировании объёма вырабатываемой энергии (см. участок 3). При правильной экономической политике эксплуатации комплексной СНЭ следует обеспечивать именно эту область её работы.

Дальнейшее наращивание объема вырабатываемой энергии приводит к повторному росту величины удельных затрат на энергию, так как эксплуатационные затраты больше не компенсируют капитальные затраты, которые стали очень большими. Следовательно, зависимость Суд (ХРснэ) снова поднимается вверх (участок 4 на рис. 4.4). В заключение следует отметить, что при формировании массивов исходных данных по приращению мощности ДЭМ+СЭП+СТП+ВТ возможны два з следующих варианта: - на основании предварительного анализа возможных графиков нагрузок объектов, где могут быть использованы указанные выше источники энергии, определяются возможные диапазоны изменения их суммарной мощности для эта достигнутая мощность распределяется по объектам.чигь снижение установленной мощности этой системы до 30-50%, но некогда не позволит отказаться от неё. 2. Получены основные соотношения оптимизационного расчёта СНЭ, состоящей из большого набора источников энергии (электрической и тепловой), а именно ДЭС - ДЭМ - СЭП - СТП - ВТ - АБ. При этом предусмотрено утилизация тепла от дизеля и получение холода с помощью преобрателя "тепло-холод" и холодильной машины. Для эффективного использования АБ в СНЭ предусмотрены инвертор и выпрямитель. 3. Представленный критерий оценки вариантов структуры и состава комплексной СНЭ в виде Су, - приведенных удельных затрат на производство электрической и тепловой энергии, включает в себя все капитальные и эксплу-тационные затраты на производство электрической и тепловой энергии (тепло-холод) при заданном сроке окупаемости с учётом дисконтных издержек, что позволяет учесть особенности инвестиционной политики государства при использовании ВИЭ. 4. Основное влияние на величину Суд оказывает соотношение удельной стоимости единицы установленной мощности ДЭС, ДЭМ, СЭП, СТП, ВТ, со-оггветственно их суммарная установленная мощность в СНЭ, а также соотношение потребляемой энергии отдельными потребителями в дневное и ночное время. 5. При разработке СНЭ очень важна правильная группировка отдельных потребителей при объединении их в систему, так как наиболее эффективным является создание групповых аккумуляторов энергии и использование аккумулирующих свойств отдельных потребителей в группе. 6. Централизация производства электрической и тепловой (Тепло-холод) энергии в СНЭ будет давать положительный эффект только при определенных условиях группирования энергопотребителей. Поэтом для оптимизации структуры СНЭ важно объединение потребителей в группы на основании суточного графика нагрузки. Разработан алгоритм оптимизационных расчётов сложной структуры комплексной СНЭ, предусматривающий значительное использование ВИЭ ( одновременно солнце и ветер) совместно с ДЭС, а также специального разработанную для этой цели двухмерную электрическую машину (в генераторном режиме работы) - ДЭМ - Г. работе проанализированы актуальные вопросы использования ВИЭ (Солнце и ветер с помощью СЭП и СТП), а также оригинальной двухмерной электрической машины - ДЭМ, работающей в генераторном режиме также от Солнца и ветра (или вала ДЭС) в рамках одной комплексной СНЭ перспективной к использованию в Китае, России и др. странах. Показано, что основной причиной, сдерживающей широкое применение такой СНЭ, является отсутствие уверенности населения в технико-экономической эффективности таких энергоисточников, так как отсутствуют общедоступные методики анализа эффективности применения ВИЭ и оценки оптимальности структуры и состава СНЭ. Обобщая результаты работы автора в указанной области можно сформулировать следующие основные выводы: 1. Низкая плотность распределения ВИЭ на Земле, вероятностный характер их проявления и невозможность воздействия человека на их природные харак теристики обуславливает необходимость комплексного использования не скольких (хотя бы двух) видов ВИЭ с помощью ДЭМ, что повышает качество вырабатываемой электрической энергии и надежность электроснабжения, а также позволяет существенно (на 40-50%) уменьшить мощность накопителя энергии. 2. Синтезирована комплексная СНЭ на базе ДЭМ - М - Г с широким ис пользованием солнечных электрических (СЭП) и тепловых (СТП) панелей, ветротурбины (ВТ), а также аккумулятора энергии (АБ) и преобразователей энергии в виде инвертора, выпрямителя, "тепло-холод" и холодильная маши на. 3. Выполнен энерготехнсшогический аудит (ЭТА) объектов СНЭ, включающий 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. Заключительным этапом ЭТА является интегральные графики нагрузки электрической и тепловой энергии. 4. Перевод большей части электрической и тепловой нагрузки с ДЭС на ДЭМ, СЭП и СТП может обеспечить снижение установленной мощности ДЭС в 2-3 раза, но не позволит полностью отказаться от неё. 5. Показано, что приведенные удельные затраты на производство электрической и тепловой энергии, как критерий оценки вариантов структуры и состава СНЭ, является весьма удобным и достаточно точным, как включающий в себя все капитальные и эксплуатационные затраты на энергопроизводство при заданном сроке окупаемости с учётом дисконтных издержек, что позволяет учесть особенности инвестиционной политики государства при использовании ВИЭ.

Похожие диссертации на Синтез и структурная оптимизация комплексной системы нетрадиционной энергетики на базе двухмерных электрических машин

Система асинхронного электропривода на базе машины двойного питания для конвейеров подачи сыпучих грузовАргентов Сергей Геннадьевич

Построение систем векторного управления электроприводов на базе машины двойного питанияГлазырин, Михаил Владимирович

Разработка и исследование электропривода на базе машины двойного питания с подключением обмоток статора и ротора к преобразователям частотыБезденежных, Даниил Владимирович

Приводы вибрационных машин на базе вентильных индукторных двигателейСергеев, Юрий Сергеевич

Магнитоэлектрический синхронный генератор на базе асинхронной машины для автономной ветроэлектрической установкиКулешов Евгений Валериевич

Разработка системы автономного электроснабжения на базе двухмерной электрической машиныСамородов Александр Валерьевич

Разработка математической модели машинно-вентильного преобразователя на базе многофазной индукторной машины с аксиальным потокомСоломин, Александр Николаевич

Электроэнергетическая установка на базе синхронной магнитоэлектрической машины и газотурбинного двигателя с газовыми подшипникамиТелешова, Наталья Сергеевна

Разработка автоматизированной системы автономного энергоснабжения на базе двухмерной электрической машины-генератораЛаденко, Николай Васильевич

Структурный анализ и синтез рационального управления электромеханическими системами горных машинФащиленко Валерий Николаевич