Введение к работе
Актуальность работы. Во всем мире в условиях нарастающего энергетического кризиса уделяется большое внимание созданию возобновляемых источников электроэнергии. Требования по развитию нетрадиционной энергетики и пути решения этой проблемы в Российской Федерации отражены в Указе Президента РФ от 4.06.2008 г. №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», постановлении Правительства №796 «О федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» на 2002-
годы» и на перспективу до 2010 года» от 17.11.2001 г., Федеральных программах «Энергетическая стратегия России до 2020 года», (утверждена Распоряжением Правительством РФ от 28.08.03 №1234-р), «Юг России на 2002-
годы» (утверждена постановлением Правительства РФ от 8.08.2001 г. №581), «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на 1996-2005 годы и до 2010 года» (утверждена постановлением Правительства РФ от 15.04.1996 г. №480), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» (утверждена постановлением Правительства РФ 21.08.2001 г. №605).
Наибольшее распространение среди различных видов возобновляемых источников получили ветроэнергетические установки (ВЭУ). Анализ климатических условий Российской Федерации показал, что на большей части РФ целесообразно использовать ВЭУ, способных вырабатывать электроэнергию при низких скоростях воздушного потока. К таким, например, относятся энергетические установки колебательного типа (ЭУ КТ).
Проблемам построения альтернативных источников энергии посвящено большое количество работ. Однако, установки указанного типа, как конструкции относительно новой разработки, в литературе недостаточно рассмотрены. Отсутствие математической модели ЭУ КТ не позволяет исследовать динамику процессов, проанализировать условия их работы и выявить параметры, влияющие на эффективность применения подобных конструкций. Также представляет практический интерес повышение энергоотдачи и обеспечение устойчивости их функционирования. Поэтому разработка математических моделей и исследование функционирования энергетических установок колебательного типа является актуальным вопросом и имеет важное теоретическое и прикладное значение.
Объектом исследования в работе является энергетическая установка колебательного типа.
Предметом исследования выступает математическая модель ЭУ КТ, задачи повышения ее энергоотдачи и устойчивости режимов функционирования.
Цель работы: исследование эффективности установки колебательного типа и разработка методов обеспечения высокой энергоотдачи и устойчивости
ее функционирования с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Достижение цели исследования предполагает решение следующих задач:
проведение системного анализа современных энергетических установок и их математических моделей;
разработка математической модели энергетической установки колебательного типа;
разработка методов повышения энергоотдачи и обеспечения устойчивости режимов функционирования ЭУ КТ;
разработка комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения моделирования ЭУ КТ;
исследование эффективности применения разработанных моделей и методов, выработка рекомендаций по их практической реализации.
В работе использованы следующие методы исследования: математическое моделирование, численные методы решения систем нелинейных дифференциальных уравнений с применением ЭВМ, а также теория аэродинамики. Общей методологической основой является системный подход.
Научной новизной диссертационной работы является:
разработка и исследование математической модели энергетической установки, отличающейся от существующих тем, что она учитывает переменность структуры технического объекта и периодический характер процессов, происходящих в среде, перемещающейся с низкой скоростью;
разработка методов повышения энергоотдачи установки колебательного типа, отличающихся от известных тем, что рост производительности ЭУ КТ осуществляется не путем увеличения геометрических размеров, а вычисления и настройки оптимальных значений ее параметров в соответствии со случайно изменяющимися внешними условиями;
- разработка метода обеспечения устойчивого функционирования
энергоустановки, основанного на вычислении и поддержании оптимального
значения параметра, влияющего на режим автоколебаний ЭУ КТ.
Практическая значимость работы заключается:
в повышении эффективности систем энергоснабжения объектов народно-хозяйственного и военного назначения за счет дополнения их малогабаритными ветроустановками, обладающими мощностью, соизмеримой с производительностью штатных электроагрегатов;
в разработке структуры системы, реализующей методы, обеспечения высокой энергоотдачи и устойчивого функционирования установки колебательного типа в случайно изменяющихся внешних условиях;
в разработке алгоритма управления системой энергоснабжения объектов народно-хозяйственного и военного назначения.
Достоверность разработанных модели и методов основана на совпадении теоретических выводов с данными, полученными в результате натурного эксперимента над макетом энергоустановки колебательного типа.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
математическая модель энергетической установки, отличающаяся от существующих тем, что она учитывает переменность структуры технического объекта и периодический характер процессов, происходящих в среде, перемещающейся с низкой скоростью;
методы повышения энергоотдачи установки колебательного типа, отличающихся от известных тем, что увеличение производительности ЭУ КТ осуществляется путем вычисления и настройки оптимальных значений ее параметров в соответствии со случайно изменяющимися внешними условиями;
метод обеспечения устойчивого функционирования энергоустановки, основанный на вычислении и поддержании оптимального значения параметра, влияющего на режим автоколебаний ЭУ КТ;
структурная схема системы, реализующей методы, обеспечивающие повышение энергоотдачи и устойчивое функционирование энергоустановки колебательного типа;
результаты вычислительного эксперимента, отражающие динамику процессов в энергоустановке колебательного типа и зависимость выходных параметров ЭУ КТ от внешних условий и характеристик элементов конструкции.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них: 9 статей (2 статьи опубликованы в журнале, входящем в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации основных результатов диссертаций) 2 тезиса докладов в материалах Всероссийских конференций, 1 патент на изобретение, поданы 2 заявки на изобретения.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично автором получены следующие результаты:
в [2] выявлены и проанализированы параметры, влияющие на устойчивость ветроэнергетической установки колебательного типа, предложен метод вычисления диапазонов допустимых значений этих параметров;
в [3] проведен анализ существующих прототипов ВЭУ КТ и выполнена работа по уточнению конструкции установки и механизма преобразования колебаний;
в [10] разработан алгоритм и предложена программа для вычисления элементов матриц, используемых в оценке стохастических сигналов;
в [12] разработан алгоритм и предложена программа, использующие численные методы в расчетах систем автоматического управления.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-методической конференции «Проблемы внедрения новых информационных технологий в жизнедеятельность военного вуза» (Тамбов, 1999 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности методов и средств обработки информации" (Тамбов, 2000 г.), IX Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе
математического моделирования» (Тамбов, 2009 г.), научных семинарах и заседаниях научно-исследовательской лаборатории №3 и кафедры автоматики и вычислительной техники Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ).
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Тамбовском ВВАИУРЭ (ВИ) в научно-исследовательскую работу тема №20049 шифр «Абдукция», в учебном процессе Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ), в учебном процессе Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета.
Структура и объем диссертации. Работа содержит введение, три раздела, заключение, приложения и библиографический список литературы. Работа содержит 110 страниц основного текста, 78 рисунков, 6 таблиц. В список литературы входит 125 наименований.
