автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Обоснование параметров системы солнечного энерговодоснабжения индивидуальных потребителей

На правах рукописи

Кортес Лилиана

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ЭНЕРГОВОДОСНАБЖЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ (ДЛЯ УСЛОВИЙ МЕКСИКИ)

Специальность 05.14.08 Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт - Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Елистратов Виктор Васильевич Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Грилихес Владимир Александрович - кандидат технических наук, ст.н.с. Попель Олег Сергеевич

Ведущая организация Московский энергетический институт (Технический университет)

Защита состоится ««2<5>> слн4 аЖ/у^у 2004 г в У £ часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.17 при ГОУ ВПО «Санкт- Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, гидрокорпус - 2, аудитория 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов В. Т

альность темы. Энергетическая проблема - одна из важнейших мировых облем современности и затрагивает самым непосредственным образом вивающиеся страны Латинской Америки, Азии и Африки. Недостаточность оизводства электроэнергии, ее дороговизна сдерживают не только создание омышленности и перерабатывающих отраслей в сельском хозяйстве этих ан по и развитие в целом. В Мексике 20% населения, в основном сельских ионов, не имеет устойчивого электроснабжения, дефицит энергии составляет оло 36 ТВт-ч в год. Предполагается, что к 2020 г. процент населения, не еспеченного электроэнергией, увеличится по причине того, что выработка ектроэнергии растет с темпом демографического роста.

В Мексике, несмотря на то, что есть большие запасы нефти и газа, в язи с повышением потребления электроэнергии и стремлением к: хпологической независимости, уделяется большое внимание развитию и едрению возобновляемых источников энергии. По отчётам Министерства ергетики Мексики за 2002 год общая установленная мощность составляет 534 МВт, планируется повышение мощности к 2010 году еще на 32000 МВт. сть необходимой энергии планируется вырабатывать на частных. едприятиях. «Реформа Индустрии в Мексике» 1992 года разрешает оизводить электроэнергию для собственных нужд децентрализованно от тановок мощностью до 30 МВт, что позволило в настоящее время оизводить 21.2% всей энергии.

Обилие солнечной энергии в Мексике и острота проблемы ергоснабжения, постоянное повышение тарифов на электроэнергию делают облему создания эффективных и рентабельных систем электроснабжения на нове солнечных энергоустановок для автономных потребителей особенно уальной, тем более что в стране формируются предпосылки для централизации энергоснабжения. Такие системы должны быть надёжными, томатизированными, простыми в эксплуатации, иметь большой срок службы одновременно давать возможность решать проблему водоснабжения.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы ределяется тенденциями развития энергетики Мексики и необходимостью» работки систем энерго- и водоснабжения для удаленных от нтрализованных энергосистем потребителей малой мощности, что еспечивает высокий социальный эффек- УР&йШШЭЮАвЫЫЗб :ействие на.

библиотека

ужающую среду.

СПтрЗДрг . 05 ГЭ

ш

Цель диссертации заключается в разработке методики научного обоснования параметров и структуры солнечной автономной системы электроводоснабжения (СЭВС), рассчитанной на различный уровень энерго- и водопотребления в условиях Мексики.

Основные задачи исследования Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• обобщен и оценен теоретический потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мексики для использования в электроэнергетике;

• усовершенствована математическая модель прихода солнечной радиации применительно к территории Мексики, которая позволяет прогнозировать энергетический потенциал солнечной радиации;

• разработана методика определения ориентации приемной поверхности солнечной батареи (СБ), обеспечивающий согласование годового графика выработки солнечной энергии с графиком нагрузки;

• определены графики энерго- и водопотребления для конкретных местностей и типов потребителей в Мексике;

• выполнен системный анализ по определению параметров СЭВС, включающий оптимизацию поступления солнечной энергии (СЭ) на поверхность СБ, выбор параметров оборудования, отбор максимальной мощности системы «Солнечная батарея-аккумуляторная батарея (АБ)», эффективную работу насосов;

• осуществлен анализ работы системы электроводоснабжения для четырех характерных структурных вариантов СЭВС и проведено их технико - экономическое сопоставление;

• разработан алгоритм автоматического управления СЭВС, который обеспечивает оптимальную работу всей системы автономного электроводоснабжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Впервые определен удельный валовый потенциал солнечной энергии регионов Мексики с учетом характеристик рельефа.

• Предложена методика определения ориентации приемной площадки СБ, обеспечивающий выравнивание годового графика выработки электроэнергии.

• Разработан алгоритм определения максимальной выходной мощности СБ в зависимости от степени относительной заряженности АБ (р).

• Исследованы переходные процессы пуска двигателя насоса системы водоснабжения при его питании от СБ и предложены альтернативные варианты схемы его подключения.

• Впервые проанализирована эффективность применения принципов гидроаккумулирования солнечной энергии для автономного потребителя малой мощности в условиях Мексики.

• Разработан алгоритм управления СЭВС, обеспечивающий выполнение заданного графика нагрузки с минимальными затратами.

Практическая значимость работы. Результаты выполненного исследования предназначены для использования при проектировании систем автономного энерговодоснабжения потребителей малой мощности в условиях Мексики. Использование рекомендаций автора на стадии проектирования позволит повысить конкурентоспособность и экономическую эффективность систем энерговодоснабжения на основе солнечных энергоустановок, что крайне важно для' улучшения экологической и социальной обстановки в энергодефицитных районах.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• результаты оценки валового потенциала нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мексики;

• усовершенствованная математическая модель прихода солнечной радиации применительно к территории Мексики;

• обобщенный алгоритм по определению параметров СЭВС, включающий оптимизацию поступления СЭ на поверхность СБ, выбор параметров оборудования, отбор максимальной мощности системы «СБ-АБ» и эффективную работу насосов;

• результаты технико-экономического сопоставления четырех характерных вариантов структуры СЭВС;

• алгоритм автоматического управления для обеспечения оптимальной работы системы автономного электроводоснабжения.

Апробация работы Основные положения диссертации доложены и одобрены семинарах кафедры возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического

университета и кафедры индустриальной электроники Прославленного автономного университета города Пуэбла, на международных конференциях: «Возобновляемая энергетика-2003» С-Петербург; «Электроника-2002» Мексика 2002), «Экобалтика» С-Петербург 2004.

Достоверность полученных результатов Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы и не противоречат известным и апробированным методам и подходам.

Личный вклад автора В ходе научных исследований автором лично получены результаты теоретического и прикладного характера. Обобщен и оценен валовый потенциал НВИЭ Мексики; разработана методика определения ориентации приемной поверхности СБ; выполнен системный анализ по определению параметров СЭВС, осуществлен анализ работы системы электроводоснабжения для четырех характерных вариантов структуры СЭВС и сделано их технико-экономическое сопоставление; создан алгоритм автоматического управления СЭВС.

Структура и объем работы Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 74 наименований. Работа изложена на 147 листах машинописного текста и содержит 54 рисунка и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследований, приводятся сведения о научной новизне и практической ценности работы, апробации разработок и исследований.

Первая глава посвящена оценке современного состояния и перспектив развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в Мексике. Рассмотрены основные достижения в Мексике по использованию солнечной радиации, ветра, малых ГЭС, биомассы, геотермальной энергии и другие. Анализ состояния и перспектив развития НВИЭ в Мексике показал, что страна обладает большим потенциалом возобновляемых ресурсов, которые используются только частично. Мексике необходимо покрыть имеющийся дефицит электроэнергии, в основном для удаленных и изолированных потребителей, а также развить собственные технологии в области НВИЭ. Для решения этой задачи автор предлагает разработку и оптимизацию автономных систем энергоснабжения, которые решают одновременно проблему

водоснабжения. Наиболее целесообразным является использование для этих целей солнечной энергии, потенциал которой весьма значителен и позволяет обеспечить круглогодичную эксплуатацию системы энерговодоснабжения.

Дан анализ климата Мексики по данным метеорологических станций. Определены валовые ресурсы солнечной энергии в помесячных интервалах для характерных регионов Мексики (рис.1) и выявлено, что среднемесячный приход колеблется в течение года в диапазоне 14-26 МДж/м2. На основании природно-климатических особенностей Мексики и характера прихода ресурсов СЭ автором предложено разделить территорию Мексики на три характерных зоны: пустынную, высокогорную и прибрежную. В каждой зоне подробно исследованы ресурсы СЭ. Анализ данных наблюдений прихода солнечной радиации использован для коррекции его математической модели.

1 23 4 56 78 9 10 11 12

_меся и_

-СИ^иаЬиа.......ОпгаЫа-ж—АсариЮо

Рис.1 Среднемесячный приход СЭ на основании данных наблюдений.

(Чигуауа-пустынная зона 13-27 МДж/м2; Оризавита-высокогорная зона 17-26 МДж/м2; Акапулько-прибрежная зона 16-24 МДж/м2) Анализ публикаций показал, что в основном исследования и разработки систем энерговодоснабжения направлены либо на электроснабжение, либо на водоснабжение. Для Мексики, ввиду традиционно сложившейся инфраструктуры нецентрализованного водоснабжения, является актуальным создание комплексной системы энерговодоснабжения. Работ по исследованию и разработке таких систем для условий Мексики не обнаружено.

Во второй главе дана методика моделирования текущего прихода солнечной энергии на горизонтальную поверхность и пересчета на наклонную поверхность. Выполнено сопоставление моделей оценки прихода солнечной

радиации, предложенные Даффи, Бекманом, Лю и Джорданом, Хотелом и с учетом введения коэффициентов ослабления внеатмосферной радиации применительно к территории Мексики. Этими вопросами занимались В.А.Грилихес, Махмуд У. Джасим и другие.

Автором для учета ослабления солнечного излучения, в условиях резкопересеченного рельефа Мексики, на основании эмпирического уравнения Кальдаса, предложена формула для определения фактической атмосферной массы (тф)

Шф=те 8631.56 (!)

где Ъ - высота места над уровнем моря, м; т - масса атмосферы на уровне моря.

Коэффициент ослабления определен с

использованием значений частных коэффициентов ослабления прямого солнечного излучения газами и частицами атмосферы, предложенный Икьюбалом:

0,0516 -тф

(1 + 44,634шф)

0,3035

;тгаз =ехр-(0,0127-тф0'26);

= ехр- (0,0903шф°'84) ; тА = ехр- (0,095тфи'>)

0,9 ч.

(2)

2,496С1Н20 -щф

\0,683 '

6,385С1Н2О -тф +(1 + 79,03<1Н2О -тф) где То,;тгаз;тн,о - частные коэффициенты пропускания за счет поглощения

озоном, атмосферными газами, парами воды, релеевского и аэрозольного рассеяния соответственно; - плотность паров воды.

Плотность энергии прямого и диффузного солнечного излучения на горизонтальную площадку рассчитан, как

1ВОСХ 'восх

где Е^р^)- плотность внеатмосферной солнечной радиации, Вт/м2.

Для определения прихода суммарной солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность ^т)в краткосрочные интервалы времени,

выполнен. пересчет трех составляющих излучения: прямой, зависящей от атмосферной массы, рассеянной и отраженной радиации с использованием модели Лю и Джордана.

где Rb - представляет отношение прихода, падающего по нормали на наклонную поверхность, к приходу, падающему на горизонтальную поверхность; pg - отражающая способность поверхности земли.

Модель была проверена и скорректирована по фактическим данным метеостанций и обеспечивает хорошую сходимость результатов.

Для согласования прихода солнечной энергии с графиком нагрузки выполнены исследования по определению оптимального угла наклона зафиксированной СБ. Для этого были использованы:

• критерий максимизации годового прихода солнечной радиации

• критерий выравнивания годового прихода солнечной энергии на поверхность СБ

12

Ш = Е|Нср. - нмесл I min (6)

i=l

Как показали расчеты, для выполнения критерия (5) угол наклона СБ может приниматься равным и более широте местности, так как при таких значениях годовой приход солнечной энергии остается практически постоянным (рис.2).

Критерий (6) сформулирован с учетом особенностей климата Мексики и представляет собой требование минимальности суммы абсолютной разницы между среднегодовым значением прихода солнечной радиации (Hq,) и среднемесячным значением

Критериальное уравнение (6) выполняется при угле наклона равном 38 (рис.2).

фад

- выравнивание прихода ■ максимизация прихода

Рис.2 Определение оптимального угла наклона СБ С использованием предложенных критериев выполнены расчеты прихода солнечной энергии на наклонную площадку, расположенную под разными углами (рис.3). Показано, что наиболее эффективным углом наклона СБ является угол так как при этом значении кривая прихода энергии

наиболее близка к графику нагрузки.

В третьей главе рассмотрены методические принципы отбора максимальной мощности солнечной батареи в составе СЭВС. По типовым ВАХ выбранного модуля MSW-36(12) построены зависимости выходной мощности от тока модуля при переменной интенсивности солнечного излучения (Е). Для каждого значения (Е) определены значения оптимального тока (Гсболт)» при котором СБ отдает максимальную мощность (РсБмах) и которое заносится в память микроконтроллера системы управления. Разница между этим значением и текущим значением тока формирует управляющий сигнал для силового контроллера в виде вольтодобавочного напряжения который

представляет собой разницу напряжений между солнечной (исв^)) и аккумуляторной батареями

Условием отдачи максимальной мощности СБ является баланс мощности

на клеммах силового контпоттепя ("СЮ

РсБмах = идЕ(1вагр+ 1деУ "ПСК (8)

где ток нагрузки и АБ соответственно, А;

Поддержание СЭВС в режиме отдачи максимальной мощности обеспечивается системой управления (СУ). Для определения оптимальной функциональной схемы СУ и выполнения условия (8) изучено изменение параметров эквивалентной нагрузки и аккумулятора.

Разработана методика диагностики состояния АБ, как управляющего элемента системы управления. Для обеспечения оптимальных по отдаче энергии режимов работы СБ исследована совместная работа системы СБ-АБ Установлено, что оптимизация отбора мощности не может осуществляться при приближении к предельному состоянию разряда АБ поэтому система

управления поэтапно отключает часть нагрузок потребителя. В режиме предельного заряда предусматривается перераспределение энергии

на дополнительную нагрузку (ДН) (например бойлер или ТЭН в системе горячего водоснабжения). Действия системы управления являются функцией степени относительной заряженности (разряженности) батареи и для

определения ее текущего значения используется метод интерполяции.

С целью согласования процесса производства энергии и потребления исследованы основные типы потребителей автономной системы электроснабжения и оценены пределы необходимой установленной мощности.

Отмечено, что в условиях Мексики кроме обычной нагрузки необходимо также учитывать подключение двигателя насоса, предназначенного для водообеспечения дома. Найдена зависимость между площадью дома и средней суточной нагрузкой СЭВ для типовых коттеджей.

Последующие исследования проведены на примере типового дома площадью 50м2 с общим суточным потреблением электроэнергии \\гпотр=3600 Вт-ч и расходом воды около 2м3 в сутки. Установлено, что в этом случае мощность СБ составляет 1000-1400 Вт, емкость АБ около 100 Ач, мощность инвертора 600-800 Вт и мощность двигателя насоса около 600 Вт.

Для обеспечения оптимальной работы СЭВС разработана система управления, алгоритм которой представлен на рис.4. Предложенная система позволяет прогнозировать режим работы СЭВС и обеспечивает оптимальную работу системы при заданной освещенности, требуемом графике электро- и водопотребления и заданном составе оборудования. Применение системы управления для конкретной СЭВС, взятой как типовой пример уменьшает емкость АБ на 20%, увеличивает выработку электроэнергии СБ на 10%, что в конечном итоге уменьшает площадь установленных солнечных модулей и общие затраты.

Четвертая глава посвящена исследованию взаимосвязей элементов системы энерговодоснабжения (СЭВС).

Исследованы ряд характерных структурных вариантов СЭВС отличающихся составом оборудования, типами приводного двигателя, схемами присоединения к СБ, принципами аккумулирования энергии и др. (рис.5).

Для варианта №1 с асинхронным двигателем (АД) не требуется дополнительного комплекса оборудования, обеспечивается высокое качество электроэнергии и бесперебойность электроснабжения потребителей (П). В то же время для этого варианта необходимо использовать инвертор (Инв.) повышенной мощности, который большую часть времени будет работать с низким КПД.

В варианте №2 с двигателем постоянного тока (ДПТ) насос работает в области номинальных параметров при согласовании режимов работы ДПТ и АБ. При установившемся режиме работы насоса ДПТ получает энергию от СБ, а пусковые режимы обеспечиваются энергией АБ. Составлена схема замещения данного варианта, исследованы переходные процессы пуска ДПТ при его питании от СБ и предложены варианты с запаздыванием подключения обмотки возбуждения двигателя.

При прямом подключении ДПТ к СБ ( вариант №3), несмотря на более высокую эффективность всей системы, она оказывается неработоспособной из-

за сложных условий пуска двигателя. Для улучшения условий пуска может быть предложен вариант подключения обмотки возбуждения двигателя к АБ, что приближает условия пуска ко второму варианту, но и в этом случае пусковые режимы удлиняются в 2.5-5 раз, что не очень эффективно.

1. Вариант с асинхронным двигателем 2. Вариант с двигателем постоянного (АД) тока(ДГТГ)

3. Вариант с прямым соединением 4. Вариант с гидравлическим ДПТиСБ аккумулированием (ГА) энергии

Рис.5 Варианты конфигураций СЭВС

В варианте №4 с применением гидроаккумулирования энергии насос работает в обратимых режимах и осуществляет не только подкачку воды, необходимую для потребления, но и создает запас воды, который при необходимости обеспечивает работу насоса в турбинном режиме.

Работа насоса в турбинном режиме позволяет уменьшить емкость АБ или полностью исключить ее использование. Конфигурация СЭВС с системой гидроаккумулирования приведена на рис.6.

Анализ варианта №4, выполненный для различных значений энергопотребления, показал, что систему ГА рекомендуется использовать частично, при этом сглаживается характер нагрузки АБ, позволяя существенно уменьшить ее емкость и повысить КПД батареи при отдаче запасенной энергии.

Рис.6 Система электро- и водоснабжения с гидроаккумулированием Пятая глава посвящена разработке методики выбора оптимальной системы автономного индивидуального электроводоснабжения для условий центральной Мексики.

Рассмотрены особенности каждого из предложенных вариантов для определения оптимальных параметров системы и мощности СБ на основе критериальных уравнений пригодности и проведено технико-экономическое сравнение СЭВ С.

Для варианта №1 критериальное выражение, обеспечивающее выработку энергии в соответствии с заданной нагрузкой имеет вид:

1 «г 1

-+ ^потр--

К] -К2 -тсв -РСБ ^1П01р + >Унас)-

(9)

Линв'Лск г Линв'Лек'ЛАБ

где К, - коэффициент снижения выработки СБ в утренние и вечерние часы; К2 -коэффициент снижения выработки СБ за счет затенения атмосферы промышленными выбросами и облачностью; - потребление

бытовыми приборами и системой освещения в дневные и ночные часы; среднесуточная энергия, потребляемая системой водоснабжения; КПД инвертора, СК и АБ соответственно.

Для определения оптимальных параметров СБ осуществлено распределение потоков энергии в зависимости от характера и времени

использования. Дневная нагрузка и энергия на водоснабжение проходят через инвертор и силовой контроллер, поэтому площадь СБ увеличивается на величину Для энергоснабжения ночной нагрузки площадь СБ должна

быть увеличена с учетом потерь в инверторе, силовом контроллере и АБ, т.е. на ^„.•■Пс-ЛаЕ-

Условием обеспечения пригодности варианта №2 является уравнение вида:

1 ,„ 1 1

СВ ' ^СБ ^ WInoTp '

' + W2norp

• + WH

(10)

Линв'Лск "" г т1инв 'Лек 'ЛАБ Лск

В отличие от предыдущего варианта, поток энергии для нагрузки водоснабжения уже не проходит через инвертор, а лишь через силовой контролер, что существенно уменьшает потери энергии в системе.

Варианту №3 соответствует следующее критериальное уравнение:

1 1

KrK2-TCB-PcB^WlnOTp.

• +W-

2потр

■+W,

нас

(П)

Линв'Лск Линв'Лск'ЛАБ

Прямое подключение насоса к СБ исключает какие либо потери энергии в системе водоснабжения и это означает, что в данном случае мощность СБ минимальна по сравнению с другими вариантами.

Критериальное уравнение для варианта №4 выбирается из условия сохранении ночного энергопотребления W2= const независимо от типа системы аккумулирования и приведенное к стандартной форме имеет вид:

ККт р +W, + + К,ти]т),

' ЛскЮ-Кз^Л^+М«]^

Для анализа возможных вариантов режимов работы данной схемы введен коэффициент Кз, который представляет долю вечерней нагрузки W2, идущую от АБ (рис.7).

ИН8 =С>

а) ночное время

СБ

АБ

СК

=Cxg>=i> Инв

-J-4-J

Инв =0 э,

дг

ЗЕ

б) дневное время

Рис.7 Энергетические потоки в СЭВС

При К3=1 (отсутствие ГА) уравнение (12) превращается в уравнение (10).

На основе критериальных соотношений (9-12) определены оптимальные параметры элементов системы для каждого варианта (табл 1). Оценив их стоимость, дополнительные затраты и общие расходы за 20 летний срок эксплуатации, можно перейти к технико-экономическому сравнению вариантов.

Проведенное технико-экономическое сопоставление (рис.8) показало, что наиболее эффективным является вариант №2.

Таблица 1

Сопоставление вариантов СЭВС

Вариант Мощность СБ, Вт Кол-во СБ, шт. Площадь СБ, м2 Емкость АБ, А-ч Мощность двигателя, Вт Объем запас.воды, м3 Мощн.Инв., Вт Стоимость, у.е.

1 1152 32 10,4 100 620 5 800 9025,5

2 1008 28 9,1 100 620 5 600 7606,3

3 1008 28 9,1 100 620 5 600 7606,3

4 К3=0 1368 38 12,35 0 620 40 600 15220

К3=0.25 1296 36 11,7 30 620 35 600 14004

К3=0.5 1152 32 10,4 45 620 25 600 11574

К3=0.75 1080 30 9,75 60 620 15 600 9683

К3=1 1008 28 9,1 100 620 5 600 7606,3

Заключение

Основные результаты выполненной диссертационной работы кратко можно ормулировать следующим образом:

На основе анализа состояния развития НВИЭ в Мексике показана эффективность их использования для децентрализованного энергоснабжения потребителей малой мощности. Установлено, что приоритетное значение имеет использование солнечной энергии и преобразование ее в электрическую в единой автономной системе энерго- и водоснабжения.

. Определены валовые ресурсы солнечной энергии в помесячных интервалах для характерных регионов Мексики и выявлено, что среднемесячный приход колеблется в течение года в диапазоне 14-26 МДж/м2.

. Разработана уточненная математическая модель прихода солнечной энергии на наклонную площадку, предложены методики расчета часового, дневного и среднемесячного прихода солнечной радиации для условий Мексики в случаях наличия и отсутствия фактических данных и учета влияния высоты местности.

. Предложена методика определения ориентации приемной площадки СБ, обеспечивающий выравнивание графика выработки солнечной энергии и согласование его с нагрузкой, характерной для условий Мексики.

5. Разработана методика определения максимальной выходной мощности СБ при переменном значении интенсивности солнечного излучения. Предложены принципы управления СБ, позволяющие обеспечить оптимальный отбор мощности в зависимости от состояния АБ.

6. Обоснован выбор типа системы аккумулирования, дано математическое описание АБ как элемента системы регулирования и разработана модель определения текущих параметров и диагностирования ее состояния.

7. В результате исследования энергетических характеристик и взаимосвязи элементов СЭВС предложены четыре характерных варианта ее структуры. Рассмотрены технические особенности вариантов и выбраны их параметры, обеспечивающие удовлетворение графика нагрузки. Для СЭВС с использованием принципов гидроаккумулирования разработана методика определения параметров работы насосов в обратимом турбинном режиме.

8. Разработан алгоритм системы управления СЭВС, объединяющий модели прихода солнечной энергии, диагностики состояния АБ, отбора

максимальной мощности от СБ и контроль насосной установки, обеспечивающий оптимальный режим эксплуатации. 9. Проведено технико-экономическое сопоставление вариантов по себестоимости вырабатываемой энергии и выбран лучший.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Анализ современного состояния и перспектив использования возобновляемых источников энергии в Мексике./ Елистратов В.В., Кортес Л.//Сборник докладов Междунар.конф. «Возобновляемая энергетика-2003» С-Петербург, СПбГПУ, с.211-217.

2. Энерговодоснабжение автономных потребителей малой мощности на основе солнечной энергии в условиях Мексики./ Елистратов В.В., Кортес Л.//Материалы Междунар. конф. «Экобалтика 2004» С-Петербург, СПбГПУ, с.57-58.

Лицензия ЛР № 020593 от 7.08.97

Подписано в печать 23.08.2004 Тираж 100 экз._

Объемвп.л. 1 Заказ №400

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

M" 1 5725

4 Введение.

Глава 1. Современное состояние и перспективы развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии в

Мексике.

1.1. Особенности развития возобновляемой энергетики в Мексике.

1.2. Применение преобразователей солнечной энергии.

1.3. Ресурсы солнечной энергии в Мексике на основании данных наблюдений.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Расчет и моделирование прихода солнечной радиации на территорию Мексики.

2.1. Определение интенсивности солнечной радиации в условиях неполноты исходной информации.

2.2. Обработка метеорологических данных солнечной радиации.

2.2.1. Оценка среднемесячной прямой и диффузной компонентов по измеренной среднемесячной суммарной солнечной радиации.

2.2.2. Оценка прямой и диффузной компонентов солнечной радиации по измеренной суточной суммарной солнечной радиации.

2.2.3. Определение часовых компонентов солнечной радиации на основе данных суточных компонентов.

2.2.4. Расчет потока солнечной радиации на наклонную поверхность.

2.3. Оптимизация угла наклона солнечного преобразователя.

Глава 3. Методические принципы отбора мощности от солнечной батареи. ^

3.1. Моделирование режима работы солнечного преобразователя для автономного потребителя.

3.1.1. Модель солнечного электрического модуля.

3.1.2. Режим работы солнечных батарей.

3.2. Анализ автономного потребителя. щ 3.3. Обоснование выбора системы аккумулирования.

3.3.1. Выбор емкости АБ.

3.3.2. Создание математической модели состояния АБ.

3.3.3. Анализ совместной работы СБ-АБ.

Глава 4. Исследование характеристик и взаимосвязей элементов в системе энерго- и водоснабжения потребителя.

4.1. Моделирование приводного двигателя насоса.

4.2. Моделирование насосного агрегата.

4.3. Совместная работа системы «солнечная батарея - двигатель - насос-аккумуляторная батарея».

4.4. Исследование режима работы насоса в турбинном режиме. щ 4.5. Выбор инвертора.

Глава 5. Разработка автономной индивидуальной системы электроводоснабжения для условий Центральной Мексики.

5.1. Варианты технических решений системы электро- и водоснабжения.

5.2. Исследование режимов работы СЭВ.

5.3. Технико-экономическое обоснование выбора схемы СЭВ.

5.4. Разработка алгоритма управления комплексом электроводоснабжения.

5.4.1. Разработка алгоритма диагностики состояния АБ.

5.4.2. Разработка алгоритма обеспечения максимального отбора мощности от СБ.

5.4.3. Разработка алгоритма управления насосом.

Энергетика является одной из основ развития экономики современного общества. Количество энергии, производимой на душу населения, служит мерой индустриального развития, экономического роста и технического прогресса конкретного государства.

Энергетическая проблема - одна из важнейших мировых проблем современности и затрагивает самым непосредственным образом развивающиеся страны Латинской Америки, Азии и Африки. Недостаточность производства электроэнергии, ее дороговизна сдерживают не только создание промышленности и перерабатывающих отраслей в сельском хозяйстве этих стран, но и развитие в целом. В Мексике 20% населения, в основном сельских районов не имеет электроснабжения, дефицит представляет 36 ТВтч в год. Предполагается, что к 2020 г. процент населения без обеспечения электроэнергией останется прежним, по причине того, что выработка электроэнергии растет с темпом демографического роста.

Освоению и использованию новых видов энергии, в частности солнечной, в настоящее время во всем мире уделяется большое внимание. В последние годы, интерес к развитию технологий, которые позволят использовать новые источники энергии, постоянно растёт. Повышение цен на нефть, начиная с 1970-х годов, проблемы экологии, способствуют формированию нового типа мышления в отношении проблемы энергетики. Учитывая, что запасы органического топлива исчерпаемы, существует необходимость перехода к экономике, которая в основу своей энергетики положит использование новых нетрадиционных источников энергии. К ним относятся: солнечная радиация, ветер, биомасса, геотермальная энергия, приливы и волны, энергия разности температур, разности концентраций солей в водоёмах и другие.

В Мексике, несмотря на то, что есть большие запасы нефти и газа, в связи с повышением потребления электроэнергии и стремлением к технологической независимости, уделяется большое внимание развитию и внедрению нетрадиционных источников энергии. Так, по отчётам Министерства Энергетики Мексики за 2002 год в общая установленная мощность достигла 43534 МВт и планируется повышение выработки электроэнергии, что предполагает установку к 2007 году еще 21743 МВт мощности. Часть необходимой энергии планируется вырабатывать на частных предприятиях. «Реформа Индустрии в Мексике» 1992 года позволяет производить на частных предприятиях электроэнергию для собственных нужд от установок мощностью до 30 МВт, что позволило в настоящее время производить на предприятиях такой формы собственности 21.2% энергии.

Доля нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) пока невелика - около 3%, но это не значит, что страна не интересуется в развитии энергетики солнца, ветра и биомассы. В Программе развития энергетики указывается, что их использование - это вопрос будущего. Игнорировать НВИЭ означает игнорировать будущее, упускать огромные возможности и в будущем зависеть от импорта технологий, развитых в других странах. Кроме того, эксплуатация энергетических ресурсов с низкой плотностью распределения по всей планете может уменьшить напряжённость в мире и решить политические и экономические проблемы, вызванные неравномерной концентрацией залежей нефти и угля в некоторых географических зонах.

Обилие солнечной энергии в Мексике и острота проблемы энергоснабжения, постоянное повышение тарифов на электроэнергию делают проблему создания эффективных и рентабельных солнечных энергоустановок для автономных потребителей более актуальной, тем более что в стране созданы предпосылки для децентрализации энергоснабжения. Эти установки должны быть надёжными, автоматизированными, простыми в эксплуатации, иметь большой срок службы и одновременно решать проблему водоснабжения.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется развитием энергетики Мексики и необходимостью разработки систем энергоснабжения и водоснабжения для удаленных от энергосистем потребителей малой мощности, что обеспечивает высокий социальный эффект и минимальное воздействие на окружающую среду.

Цель работы заключается в обосновании параметров и разработке солнечной автономной системы электроводоснабжения (СЭВС), рассчитанной на различный уровень энерго- и водопотребления. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. обобщен и оценен теоретический потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мексики для использования в электроэнергетике;

2. создана математическая модель прихода солнечной радиации применительно к территории Мексики, которая позволяет прогнозировать энергетический потенциал солнечной энергии;

3. разработан алгоритм ориентации приемной поверхности солнечной батареи (СБ), обеспечивающий согласование внутригодового графика прихода солнечной энергии с графиком нагрузки;

4. определены графики энерго- и водопотребления для конкретной местности и типов потребителей в Мексике.

5. выполнен системный анализ по определению параметров СЭВС, включающий оптимизацию прихода СЭ, выбор параметров оборудования, отбор максимальной мощности узла «СБ-АБ», эффективную работу насосов;

6. осуществлен анализ работы системы электроводоснабжения для четырех характерных вариантов компоновки СЭВС и сделано их технико — экономическое сопоставление;

7. создан алгоритм автоматического управления СЭВС для наиболее эффективного варианта, который обеспечивает оптимальную работу всей системы автономного электроводоснабжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Определен теоретический потенциал солнечной энергии регионов Мексики с учетом характеристик рельефа.

• Предложен алгоритм ориентации приемной площадки СБ, обеспечивающий выравнивание внутригодового графика прихода СЭ;

• Разработан алгоритм определения максимальной выходной мощности СБ в зависимости от состояния АБ.

• Исследованы переходные процессы пуска двигателя насоса, при его питании от СБ и предложены альтернативные варианты схемы его подключения.

• Впервые проанализирована эффективность применения принципов гидроаккумулирования солнечной энергии для автономного потребителя малой мощности;

• Разработан алгоритм управления СЭВС, обеспечивающий ее эффективную работу.

Практическая значимость работы. Результаты выполненного исследования предназначены для использования при проектировании систем автономного энерговодоснабжения потребителей малой мощности в условиях Мексики. Использование рекомендаций автора на стадии проектирования позволяет повысить конкурентоспособность и экономическую эффективность систем энерговодоснабжения на основе солнечной энергии, что крайне важно для улучшения экологической и социальной обстановки в энергодефицитных районах.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены семинарах кафедры возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Санкт - Петербургского государствнного политехнического университета и кафедры индустриальной электроники Benemerita Universidad Autonoma de Puebla Mexico, на международных конференциях: «Renewable

Energy» С-Петербург 2003; «Electronica-2002» Mexico 2002), « Ecobaltica» C-Петербург 2004.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю заведующему кафедрой ВИЭГ д.т.н., профессору В.В.Елистратову за постоянную помощь, внимание и доброжелательную поддержку в работе. Автор признательна д.т.н., профессору В.А.Грилихесу за ценные советы и консультации по проблемам солнечной энергетики; д.т.н., профессору А.Н.Кривцову за помощь в области автоматизации процессов управления; а также коллективу кафедры ВИЭГ за ценные замечания и советы при обсуждении диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы на основании выполненных исследований автором сделаны следующие выводы:

1. На основе анализа состояния развития НВИЭ в Мексике показана эффективность их использования для децентрализованного энергоснабжения потребителей малой мощности. Установлено, что приоритетное значение имеет использование солнечной энергии и преобразование ее в электрическую в единой автономной системе энерго- и водоснабжения.

2. Определены валовые ресурсы солнечной энергии в помесячных интервалах для характерных регионов Мексики и выявлено, что среднемесячный приход колеблется в течение года в диапазоне 14-26 МДж/м2.

3. Разработана уточненная математическая модель прихода солнечной энергии на наклонную площадку, предложены методики расчета часового, дневного и среднемесячного прихода солнечной радиации для условий Мексики в случаях наличия и отсутствия фактических данных и учета влияния высоты местности.

4. Предложена методика определения ориентации приемной площадки СБ, обеспечивающий выравнивание графика выработки солнечной энергии и согласование его с нагрузкой, характерной для условий Мексики.

5. Разработана методика определения максимальной выходной мощности СБ при переменном значении интенсивности солнечного излучения. Предложены принципы управления СБ, позволяющие обеспечить оптимальный отбор мощности в зависимости от состояния АБ.

6. Обоснован выбор типа системы аккумулирования, дано математическое описание АБ как элемента системы регулирования и разработана модель определения текущих параметров и диагностирования ее состояния.

7. В результате исследования энергетических характеристик и взаимосвязи элементов СЭВС предложены четыре характерных варианта ее структуры. Рассмотрены технические особенности вариантов и выбраны их параметры, обеспечивающие удовлетворение графика нагрузки. Для СЭВС с использованием принципов гидроаккумулирования разработана методика определения параметров работы насосов в обратимом турбинном режиме.

8. Разработан алгоритм системы управления СЭВС, объединяющий модели прихода солнечной энергии, диагностики состояния АБ, отбора максимальной мощности от СБ и контроль насосной установки, обеспечивающий оптимальный режим эксплуатации.

Проведено технико-экономическое сопоставление вариантов по себестоимости вырабатываемой энергии и выбран лучший.

138

1. Concheiro А.А., Viqueira L.R., Alternativas energeticas. -Mexico:CONACyT, 1985

2. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar energy thermal processes. New York: John Whiley, 19803. www.energia.gob.mx

3. Corchuelo Mora M.A., De la hipsometria de Caldas. Doscientos acos despues. Colombia,Revista colombiana de fisica,vol33,#2,2001

4. Ежегодный бюллетень.Solar radiation and radiation balance data. -St.Petersburgo,The world network, 2000.

5. Методические указания. Расчет характеристик солнечной радиации на горизонтальную поверхность. -С.Петербург, СПбГТУ, 1999.

6. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. -М., Наука, 1984

7. Махмоуд У. Джасим. Выбор параметров энергоустановок солнечного хладоснабжения для автономных потребителей. Автореферат дисс. . к.т.н. -С.Петербург, СПбГТУ, 2002.

8. Лачин В.И., Савелов Н. С.Электроника.- Ростов на - Дону, Феникс, 2002.

9. Использование солнечной энергии. Под ред. Л.Е.Рыбаковой. Ашхабад,Наука, 1985.

10. Климатические характеристики Земного шара. Л.,1977.

11. Кондратьев К.Я. Метеорологические аспекты гелиотех ники. Метеорология и гидрология. - № 8, 1977.

12. Андерсон Б. Солнечная энергия: пер. с англ. М. : Строиздат, 1982.

13. Байрамов Р. Альтернативные источники энергии на службу человека. -Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1992, № ю.

14. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России.- под ред. Безруких П.П. -С.Пб., Наука, 2002.16. http://phys.web.ru

15. Liu В.Y. and Jordan R.C., The Interrelation ship and characteristic distribution of direct, diffuse & total solar radiation. Solar Energy, Vol.4, No.3, 1960.

16. Collares- Perera M., Rable A. The Average distribution of solar radiation correlations between Diffuse and hemispherical and between daily and hourly insulation values. Solar Energy, Vol.22, p. 155,1979.

17. Pridiction and performance assessment of mean hourly global radiation, Gueymard C.l Solar Energy, Vol.68, No.3, pp.285-303,2000.

18. DE. Miguel A., et. al Diffuse Solar irradiation model evaluation in the north Mediterranean belt area, // Solar Energy, Vol.70, No.2, pp. 143-153,2001.

19. Whiller A. Solar radiation graphs// Solar Energy, Vol.9, p. 164,1965.22. 1981 Handbook of Fundamentals, ASHRAE, New York, 1981.

20. Харченко H.B. Индивидуальные солнечные установки.-М., Энергоатомиздат, 1990.24. www.siemens.com

21. Колтун М.М. Солнечные элементы. М., Наука, 1987.

22. Захидов Р.А., Умаров Г.Я. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем.- Ташкент, 1977.

23. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции.- Л.,Наука, 1986.

24. Расчет мощности СФЭС водоподъемного комплекса/ Шаймердангулыев Г., Абыльхекимов Э. Всесоюзн.сообщ. - Тез. докладов. -Геленджик, 1988.

25. Carlos Guix у Luis Serra. Instalaciones fotovoltaicas para viviendas unifamiliares.-Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

26. Ю.Н.Астахов. B.A. Веников. А. Г. Тер-Газарян Накопители энергии в электрических системах М., Высшая школа, 1989

27. Fullea J., Sanchez Lopez С. Acumulacion de energia electrica de origin fotovoltaico. -Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

28. Fullea J., Pascual J.L., Sanchez C. Dimencionado del acumulador de una instalacion fotovoltaica. -Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

29. Беленов A.T., Еарнижевский Б.В. Выбор оптимальной схемы соединения солнечных генераторов с электроприводом.- Гелиотехника, №3,1969.

30. Багоцкий B.C., Скундин A.M. Химические источники тока.-М.,Энергоиздат, 1981.

31. Устинов П.И. Стационарные аккумуляторные установки.- М., Энергия, 1970.

32. Якубовский В.Я., Любиев О.Н. Математическое моделирование аккумуляторной батареи, работающей в буферном режиме с генератором постоянного тока. "Электротехника", 1972, №1. с.54 -55.

33. Любиев О.Н. Аналитическое описание аккумулятора как элемента электрической цепи. Известия вузов. Электромеханика, 1971, №11. -сЛ 1901196.

34. Бесекерский В.А., Ефремов Н.Б., Зиатдинов С.И. и др. Микропроцессорные системы автоматического управления. JL: Машиностроение, 1988. - 365с.

35. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электрпривода.- М., Госэнергоиздат, 1963.

36. Андерсон Б. Солнечная энергия.-М., Стройиздат, 1982.

37. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. -М., Энергия, 1971.

38. Александровский А.Ю. и др. Гидроэнергетика.- М., Энергоатомиздат, 1988.

39. Карелин В.Я., Новодережкин Р.А. Насосные станции с центробежными насосами.- М., Стройиздат, 1976.

40. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции: Учебник для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. - М. : Строй издат, 1986.

41. Беленов А.Т. , Тарнижевский Б.В. Оптимизация режимов генерирования электроэнергии в автономной системе фотоэлектричес кий генератор-электродвигатель постоянного тока. Гелио техника. - № 6. - 1969.

42. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Хаммуд Хуссейн Аббас. Обоснование режимов работы насосной установки при электропи тании от СБ. Всесоюзн.совещ. : Тез. докл. г. Геленджик.1988.

43. Гидроэнергетические установки. Под ред. Д.С.Щавелева. М.: Энергия, 1988.

44. Кароль JI.A. Гидроэнергетические установки.- М., МЭИ, 1970.

45. Кривченко Г.И. Гидравлические машины.-М., Энергия, 1978.

46. Асос Фатих Расул Комбинированное использование солнечной и гидравлической энергии автономными потребителями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.,- М., 1992.

47. Джума Ахмад Система Автоматичного Управлшня вщновлювальними джерелами eHeprii. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Клровоград, 1996.

48. Naaijer G.J. instalaciones solares fotovoltaicas para bombeo de agua. -Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

49. Алиев P.K. Переносные фотоэлектрические станции для электроснабжения потребителей объектов отгонного животноводства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., -М., 1995.

50. Хуссейн Шабан Мохаммед Эль Шафи Оптимизация основных параметров фото- и ветроэлектрических установок и их комбинирования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., С- Пб., 1991.

51. Елистратов В.В. Основы и методы гидравлического аккумулирования энергии возобновляемых источников. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н., С-Пб., 1996.

52. Аршеневский Н.Н., Левина С.И., Натариус Е.М. Характеристики капсульных агрегатов при их работе в обратимых режимах. ГТС, 1979, №10.

53. Васильев Ю.С., Беляев С.Г., Елистратов В.В., Саморуков И.С. Физическое моделирование гидравлических процессов в элементах ГЭС и крупных НС. Тезисы н.-т. Совещ., Дивногорск, 1989.

54. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Мухаммадиев М.М. Энергетическое и гидродинамическое исследование турбинных режимов работы крупных насосных станций. ГТС №2, 1989.

55. Brada К., Blacha J., Fakulta S. Aplikace Hydrodinamic kych cerpade providni mikroelektrarny. Energetika,32,#4.

56. Schnitzev V., Neue perspectiven zur Nutzung kleiner und kleinster Wasserkrafte durch pumpen in Turbinenbetrieb. Wasserwirtschaft, 75, #1, 1985.

57. Виссарионов В.И., Елистратов B.B., Мухаммадиев М.М. Энергетические исследования насосных станций с капсульными агрегатами в режиме гидроаккумулирования.-Изв.ВУЗов. Энергетика , №1, 1987.

58. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Бендиткис Л.И. Гидроаккумулирование на насосных станциях- резерв маневренных мощностей.- ГТС№8, 1989.

59. Бернштейн Л.Б. Приливные электростанции в современной энергетике. -М., -JL, Госэнергоатомиздат, 1961.

60. Бернштейн Л.Б., Силаков В.Н., Эрлихман Б.Л. Приливные электростанции.-М., Энергоатомиздат, 1986.

61. Елистратов В.В. Аккумулирование энергии возобновляемых источников. -М., Амипресс, 200272. www.solwing@Jq-asnodar.ru.

62. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования. Под ред. Гольдберга О.Д.-М., Высшая школа, 2001.74. www.energon.ru