автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий ограниченной мощности с использованием альтернативных источников энергии

На правах рукописи

Телегин Валерий Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г /НАР 2014

Липецк-2014

005546386

005546386

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» на кафедре электрооборудования

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шпиганович Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Гордеев Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», . профессор кафедры электрификации и автоматизации сельского хозяйства

Плащанский Леонид Александрович, кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры электрификация и энергоэффективность горных предприятий

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный Университет», кафедра электроснабжения

Защита диссертации состоится 16 мая 2014 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « // » марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Потенциал возобновляемых источников энергии России составляет миллиарды тонн условного топлива в год и значительно превышает объём всех потребляемых в настоящее время топливно-энергетических ресурсов. Его рациональное использование, в соответствии с энергетической стратегией развития России до 2030 года, позволит решить целый ряд проблем, связанных с экологически небезопасными процессами переработки углеродного топлива и его сбережением, снижением затрат на транспортировку топлива в территориально удалённые районы и повышением уровня энергетической надёжности этих районов. Учитывая, что около 70% территории страны, в числе которых и промышленно развитые районы, расположены вне централизованных электрических сетей, применение альтернативных источников для производства электроэнергии - дополнительный стимул к развитию промышленности, обеспечению занятости и повышению, уровня жизни населения, что, в конечном итоге, ведёт ^оро*^^ Россия

Таким образом, задача обоснования целесообразности создания на заданной территории электрогенерирующих комплексов, преобразующих энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока, безусловно актуальна, а научная и практическая значимость вопросов, связанных с разработкой методик расчёта их параметров, не вызывает сомнений.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие теоретических основ альтернативной энергетики внесли такие учёные, как Н.Е. Жуковский, A. Betz, L. Prandtl, Е.М. Фатеев, Б .Б. Кажинский, П.П. Безруких, В.И. Виссарионов, В.В. Елистратов и многие другие. Вопросам энергоснабжения потребителей на основе одного и двух типов источников альтернативной энергии посвящены опубликованные в последние годы работы ВГ. Николаева, А.Н. Дорошина, М.А. Конищева, Е.С. Ароновой, С.М. Воронина, К.В. Баркова и других авторов. Исследования, связанные с разработкой научно обоснованных методик расчёта структуры и оптимальных параметров автономных электрогенерирующих комплексов, включающих, помимо потребителя, систем аккумулирования и рассеяния энергии,. три типа генерирующих устройств, преобразующих энергию возобновляемых источников, а также методик определения ресурсов альтернативной энергии в заданной географической точке местности, неизвестны.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка технологии синтеза структуры и расчёта оптимальных параметров электрогене-рирующего комплекса (ЭК), построенного на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ), солнечных фотоэлектрических панелей (ФЭП) и малых гидроэлектростанций (МГЭС), расположенного в заданной географической точке местности и предназначенного для электроснабжения предприятий ограниченной мощности (П), анализ его работоспособности в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработана методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, обладающих возможностью преобразования в электрическую энергию посредством ветроэнергетических установок, солнечных фотоэлектрических батарей и малых ГЭС;

- разработана математическая модель электроснабжения в системе, включающей ветроэнергетические, солнечные фотоэлектрические установки, малые ГЭС и потребителя;

- создана технология имитационного моделирования и соответствующее программное обеспечение работы системы «Электрогенерирующий комплекс на базе альтернативных источников энергии - предприятие ограниченной мощности» (ЭК-П);

- разраЬотана методика расчёта структуры и оптимальных параметров систем альтернативной энергетики, построенных на базе ветроэнергетических, сол-

т тлгр тттту

'^ч/а Л^^Хш^кОЧ^ шшш1л 1 ¿1 1 рсШШЗоЦЙя.

Идея работы состоит:

- в объединении теоретически и экспериментально обоснованных методик расчёта количества генерируемой ВЭУ, ФЭП, МГЭС электроэнергии и её потребления в рамках единой математической модели, разработке имитационной модели системы ЭК-П и создании методики расчёта её оптимальных параметров;

- в разработке методики определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, основанной на корректировке соответствующих данных другой точки, расположенной в её окрестности;

Научная новизна. В результате проведённых исследований получены следующие научные результаты:

- создана новая методика определения параметров возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, имеющего потенциальную возможность быть преобразованным в электрическую энергию посредством технологий альтернативной энергетики, отличающаяся тем, что в ней применена предложенная автором система корректирующих коэффициентов, учитывающих особенности территории размещения генерирующих мощностей;

- разработана новая математическая модель, и на её основе создана имитационная модель, позволяющая, в отличие от известных разработок, исследовать электрогенерирующие комплексы, структура которых, помимо устройств аккумулирования и рассеяния энергии, включает три типа генерирующих устройств: ВЭУ, ФЭП и МГЭС;

- разработана методика расчёта электрогенерирующего комплекса, отличающаяся возможностью поиска оптимальных значений, определяющих его структуру и конструкционные параметры из условий минимальной стоимости или максимальной мощности.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что в результате проведённых исследований:

- создана методика, позволяющая выполнить количественную оценку возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, доступного для преобразования в электрическую энергию;

- разработана технология исследования системы ЭК-П, основанная на методах математического моделирования, позволяющая оценить её работоспособность в различных режимах эксплуатации и при разнообразных впекших воздействиях;

- создан программный продукт для ЭВМ, позволяющий решать задачи, связанные с имитационным моделированием энергетических процессов в системе ЭК-П, оптимизацией её структуры и параметров.

Методология и методы исследования. Объект исследования — система автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности, удалённых от существующей энергосети. Предмет исследования — способы электроснабжения с использованием технологий альтернативной энергетики. При выполнении работы использовались результаты анализа и обобщения данных, приведённых в научно-технической литературе, методы экспериментальных исследований энергетического потенциала заданной точки местности. Теоретические исследования проводились на основе методов расчёта систем энергоснабжения, расчёта технико-экономических показателей энергетических установок, математического анализа и теории оптимизации. При разработке программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированных технологий в среде Microsoft Visual Studio 2010.

Положения, выносимые на защиту:

- методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, расположенной в окрестности этой точки;

- математическая и имитационная модели и методика исследования на их основе системы ЭК-П;

- методика расчёта оптимальных конструкционных параметров и структуры электрогенерирующего комплекса.

Достоверность результатов и выводов подтверждена математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов расчётов, сделанных на основе имитационной модели системы ЭК-П, с результатами известных исследований. Данные, полученные при тестировании разработанных математической и имитационной моделей, непротиворечивы, а их значения совпадают с ожидаемыми результатами.

Реализация работы. Результаты научных исследований: математическая, построенная на её основе, имитационная модель системы ЭК-П, методика их применения для расчёта энергетических процессов в генерирующих системах, включающих ВЭУ, ФЭП и МГЭС, переданы ООО «Информационно-энергетический центр «АВПС-Инновация» и применяются при подготовке и

реализации инновационных проектных решений, связанных с использованием альтернативных источников энергии для электроснабжения автономных потребителей. Технология имитационного моделирования и оптимизации параметров электрогенерирующих комплексов, построенных на базе альтернативных источников энергии, её программное решение внедрены в ООО «АльтЭперго». Указанная технология используется в ООО «АльтЭнерго» при решении задач, связанных с определением структуры систем электроснабжения автономных потребит елей, расположенных в заданных географических точках местности, оценке их стоимости и работоспособности.

Методика определения энергетического потенциала заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, расположенной в окрестности этой точки, программное обеспечение имита-

ТТТ7ЛТТТТЛГ,Г> 1 ТТЛТТТТГ*Г»"ПОTTTírT >Mtar»T4innTTn^TraTTTin т» ЛТТЛФО« rn //^TT'VMn/vmrTTi-tnT^TTTT Ti>nm >

A^xiuUiiOi v/ i'iü^wjülpuuumi/i o UiviCivit wvyhwpi S/ill4^vMin лилх"

плекс — предприятие ограниченной мощности», методика оптимизации структуры и параметров этой системы используются в учебном процессе на кафедре электрооборудования ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический

X гтттт ^пптш ií»tt\\

Апробация работы. Основные положения диссертации, её отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры электрооборудования ЛГТУ в 2011, 2012, 2013 годах и обсуждались на конференциях, семинарах, выставках и конкурсах, в числе которых: III международная научно-практическая конференция: «Применение инновационных технологий в научных исследованиях», г. Курск, 2011; областной профильной семинар: «Школа молодых учёных по техническим наукам», г. Липецк, 2011; V международная научно-практическая конференция: «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2012; VIH международная научно-практической конференция: «Спецпроект: анализ научных исследований», Украина, г. Днепропетровск, 2013; международная научно-практическая конференция: «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика», г. Воронеж, 2013; XIII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (призер), г. Москва, 2013; «УМНИК» -2013-2 (победитель программы), г. Липецк, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ. Зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 179 е., в том числе 169 с. основного текста, 62 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 156 наименований, 4 приложения на 10 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определен объект и предмет исследований, сформулирована цель, отражена идея, раскрыта научная новизна, практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации исследований.

В первой главе выполнен анализ текущего состояния и перспектив развития альтернативной энергетики в России, странах западной Европы и на американском континенте. Подтверждена актуальность и практическая значимость работ в области технологий альтернативной энергетики.

Установлено, что увеличение доли электроснабжения на базе технологий возобновляемой энергетики напрямую связано с решением вопроса о возможности и экономической целесообразности применения электростанций, использующих энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока. Выполнен анализ современных теоретических методов расчёта мощностей, генерируемых ветроэнергетическими установками, солнечными фотоэлектрическими панелями и турбинами свободнопоточных и плотинных гидроэлектростанций различных конструкций, а также оценки эффективности электрогенерирующих комплексов, построенных на базе одного и двух типов генерирующих устройств и различных систем аккумулирования.

Проектирование электрогенерирующего комплекса, предназначенного для электроснабжения предприятия ограниченной мощности, расположенного в географической точке местности, удалённой от существующих электросетей, предполагает решение следующих задач:

- оценка энергетического потенциала данной точки местности, который определяется скоростью ветра и солнечным излучением в этой точке, параметрами водяного потока (напор и скорость), возможностью сооружения плотины. Параметры скорости ветра и солнечного излучения не являются постоянными и могут быть получены путём статистической обработки данных многолетних наблюдений. Причём их значения, особенно скорость ветра, достаточно сильно зависит от особенностей местности (её рельеф, высота и расположение, строений, растительность и др.), времени года, наличия снежного покрова. Поэтому использование средних данных о солнечном излучении и о скоростях ветра для данной территории, может оказаться неправомерным. Сооружение гидроэлектростанций предполагает наличие реки с определенными параметрами водяного потока: скорость и глубина для свободнопоточных ГЭС, расход и допустимость затопления территории для плотинных ГЭС;

- количество ветроустановок, солнечных панелей, турбин малых ГЭС и аккумуляторных батарей (структура электрогенерирующего комплекса), конструкционные параметры этих устройств определяются параметрами потребления энергии, а также величиной и характером изменения энергетических ресурсов территории расположения энергетического комплекса.

Таким образом, не вызывает сомнения необходимость создания методики проектирования электрогенерирующего комплекса, в котором расчёт его струк-

туры и конструкционных параметров базируется на учёте данных о энергетическом потенциале в конкретной географической точке его расположения и параметрах потребления энергии. Задача расчёта параметров системы ЭК-П не имеет однозначного решения, выбор наилучшего из решений невозможен без обработки большого объёма информации и применения современных вычислительных методов.

Вторая глава посвящена вопросам разработки методики определения основных показателей составляющих энергетических ресурсов на примере географической точки местности с координатами 52.98Ы, 38.967Е, расположенной в Лебедянском районе Липецкой области недалеко от села Троекурово. В основу методики положена идея корректировки существующих данных многолетних наблюдений о скоростях ветра и солнечного излучения, известных для какой-либо точки, лежащей в окрестностях рассматриваемой территории. В данном случае — метеостанция города Липецк.

Корректирующие коэффициенты, позволяющие связать существующие базы скоростей ветра и солнечной инсоляции с соответствующими параметрами исследуемой географической точки местности, определяются по формулам:

В предложенных выражениях Рвэу, Увэу и Рм, Ум - параметры распределения Вейбулла для территорий ветропарка и метеостанции, полученные одновременно на одинаковой высоте для данного направления ветра на метеостанции в течение некоторого временного интервала; Эсэс и Эм — количество энергии солнечного излучения в точках расположения СЭС и на метеостанции, также полученные одновременно для некоторого временного интервала, кВт/м2.

На рисунке 1 представлены результаты корректировки данных о скоростях ветра, на основании которых может быть рассчитан коэффициент запаса для каждого месяца в соответствии с зависимостью:

Рвэу • г [ 1 + —-

V Увэу у

где Уср, Ущт - соответственно средняя и минимальная скорость ветра для данного месяца.

1- максимальные, 2 - средние, 3 — минимальные значения скорости Рисунок 1 — Пределы изменений значений скоростей ветра за период с 2006 - 2012 годы

Предложена методика выполнения расчётов зон затопления при проектировании плотин МГЭС и выполнена апробация этой методики на примере предполагаемого восстановления плотины Кураповской ГЭС. Методика подразумевает использование карт, содержащих детальную информацию (например, Google Earth) о рельефе местности.

Методика создания откорректированных баз данных значений скоростей ветра и солнечного излучения, а также расчёта коэффициентов запаса, реализована в виде программного решения.

В третьей главе разработана математическая модель системы, включающей три генерирующих устройства (ВЭУ, ФЭП, турбины МГЭС), систему аккумулирования, балластное сопротивление и потребителя. Основное условие работоспособности системы электроснабжения — возможность обеспечения потребителя электроэнергией достаточной мощности:

Рг+Ра>Рп- кз,

где Рг— мощность, генерируемая совместно всеми типами источников энергии, Вт; Ра - мощность аккумулированная, Вт; Рп - мощность, необходимая потребителю, Вт; к3 - коэффициент запаса.

Полагая систему автономного электроснабжения предприятия замкнутой, можно утверждать, что сумма мощностей источников электрической энергии должна быть равна суммарной мощности, расходуемой потребителями за вычетом потерь вследствие её передачи и различного рода преобразований. Источниками энергии в данной системе являются устройства, использующие энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока для генерации электрического тока. Потребитель - предприятие ограниченной мощности и балластное сопротивление. Система аккумулирования электроэнергии, в зависимости от количе-

ственного соотношения вырабатываемой и потребляемой энергии, может выступать как в роли её источника, так и приёмника (рисунок 2).

Л Р.-

Рп ' Рг - Рп „ Ра „ Ра

а б

Рисунок 2 - Баланс мощностей в системе электроснабжения предприятия ограниченной мощности в режиме: а) заряда аккумуляторов; б) разряда аккумуляторов

Математическое выражение для расчёта баланса мощностей при Ра = Рг -Рп/ки >0, соответствующее рисунку 2а, будет иметь вид:

Pa-t<Da-Ua-ka, р

I = 3 <1 ха тт -v na-Ua

Pa-t>Da-Ua-ka,

n„ -U,

- Р -t

Da = Da —-—-ka,

a ^ а,

P6 = 0. Da=0,

6 a k.-t

Pa-t<Da-Ua-ka,

P.

. °a-Ua

Pa-t>Da.Ua-ka,

I.=-

n»

Da=Da-I3-t-ka, P6=Pa-l3'Ua-

Da=Da-I3-t-ka, P6=(Pa-I3-Ua).

В представленных выражениях na — количество блоков аккумуляторных батарей (АБ), соединённых параллельно; Ua и 1а - напряжение (В) и ток заряда (А) одной аккумуляторной батареи; ka < 1 — кпд аккумулятора; Da и D а — начальное и конечное значения «свободной» ёмкости (А-ч) системы аккумулирования; Ра - излишек мощности (Вт), часть которой может быть аккумулирована или рассеяна балластной нагрузкой; Ре - мощность (Вт), используемая балластной нагрузкой; k„ < 1 - кпд инвертора.

Математическое описание баланса мощностей при Ра = Рг - Рп/ки < 0, в соответствии с рисунком 26:

- |Р I -1

Da=Da+^l_Ap(Ia).

а

Са = (l-kp)-Ca -Da >0,

где 1р — максимально допустимый ток разряда аккумулятора, А;

Са — текущая ёмкость аккумулятора, А-ч;

Ар(1а) — некоторая, предложенная автором, корректирующая функция тока разряда в цепи системы аккумулирования, значение которой > 1.

|Pa|-t<[(l-kp)-Ca-DJ-Ua, |Р

I, =-

n„ -U.

<1„.

А =а-е1а +Ь при 1а>—,

= В(1а)

при 1а <

чо '10

А =1 р

Ср

где а =-—

при

с10 ~с5

'20

СЮС5 е(°-2с5) _е(0.1СюГ

Ь =

с„ С, .е(02С5) -С

ваа) =

ТгоЧСр-С,)-!.

{2С:-С.)-С1

ю'

„(0.1с10)к

е(0.2С5)к _ е(0.1Сю)к

В предложенных соотношениях Ср, Сю, С5 — ёмкость аккумулятора (А-ч) номинальная, при 10-ти и 5-ти часовом разряде, Тю, Т2о - время заряда (разряда) (ч), равное 10 и 20 часам, соответственно, 1а — ток разряда (А), к — безразмерный коэффициент.

Генерируемая мощность Рг в общем случае является функцией времени, значения которой доступны в дискретных точках заданных через постоянные временные промежутки АТ. Полагая, что функция на отрезке времени АТ изменяется по линейному закону от значения Р1 до Рг, а потребляемая мощность Рп постоянна, будем иметь следующие выражения для расчёта избыточной и недостающей '\Ун энергии при следующих четырёх возможных вариантах соотношений между значениями Рь Р2 и Рп:

1) Р2>^:

2)Р.<Л Р2<г:

2Р

АТ, 3)Р1>та", Р2<г2-:

W1I = 0) 2Р,

W.=-

•АТ;

4)Р,<Л Р2>;

^я =

=

2-(Р1-Р2)

2-(Р1-Р2)

2

АТ,

■АТ;

2-(Р2-Р,)

М I2

р,-Г

•АТ,

=

2(Р2-Р.)

•АТ.

Таким образом, на временном отрезке tj.fi] 1 = 0, 1, 2 ... т значение мощности, избыточной Л\У( > 0 или недостающей < 0, равно:

где I - порядковый номер временного отрезка; т - количество отрезков.

Если > 0, то часть избыточной энергии АБакАТ; может быть аккумулирована:

ДБ^ =0^

а оставшаяся — рассеяна. При этом энергетический баланс системы описывается следующим соотношением:

ДОз;-иа+РбГ ДТ = Д^, где Баь Б ^, Рб1 определяются с учётом следующих равенств:

Л\¥; ДТ

Если < 0, то недостающая часть энергии АБш-ЛТ; должна быть восполнена из системы аккумулирования. Уравнение энергетического баланса системы в этом случае:

ДТ 31 а

Решение задачи моделирования предполагает реализацию последовательности математических расчётов в соответствии с разработанной методикой для ш временных точек Хг, ..., и), которыми разбивается исследуемый промежуток времени Т на т-1 интервал. Анализ тестирования разработанной математической модели показал, что полученные на её основе данные непротиворечивы, а их значения и характер изменения совпадает с ожидаемыми результатами.

Параметры математической модели ЭК не являются произвольными величинами и могут быть изменены только в определённых границах, часто с однозначно заданным шагом и нечёткой взаимосвязью друг с другом. Анализ их взаимосвязей и степени влияния на мощность электрогенерирующих установок позволил ограничить их количество. В общем случае варьируемыми параметрами будут являться число установок каждого типа (>ТВ, Ыс, - количество ВЭУ, ФЭП, турбин МГЭС) и количество аккумуляторных батарей - структура электрогенерирующего комплекса. Кроме того, для ВЭГ — диаметр ветроколеса, высота мачты и высота ветроколеса, если ВЭГ с вертикальной осью; для плотинных МГЭС - диаметр турбины, напор; для свободнопоточных МГЭС -площадь сечения гидротурбины; для ФЭП - площадь панели и угол установки,

который, как показали исследования, может быть найден вне данной математической модели.

Задача проектирования элекгрогенерирующего комплекса сформулирована как задача поиска ряда значений варьируемых переменных, сообщающих минимум соответствующим функциям:

(1

Ф,=Т

чо

/т

|РГЛ , Ф2=Св-пв+Сс-пс+Сг-пг+Са-па, Ф3=Т- |Р6Й

-1

В предложенных выражениях Ф] — величина обратная мощности выработанной всеми генерирующими устройствами; Ф2 - стоимость генерирующего комплекса; Фз - эффективность системы ЭК-П; Св, Сс, Сг, Са — полная стоимость ВЭУ, ФЭП, турбины МГЭС и аккумуляторов соответственно, с учётом сопутствующего оборудования, монтажа и обслуживания. В общем случае значения Рг, Св, Сс, Сг, Рб являются функциями описанных выше варьируемых параметров, определяющих конструкцию генерирующих устройств.

На основе передоложенных критериев, сформулированы две задачи: определение структуры и параметров генерирующего комплекса максимальной мощности — поиск значений параметров, сообщающих тт(Ф1), при дополнительном ограничении на максимальную стоимость ЭК; определение структуры и параметров генерирующего комплекса, предназначенного для автономного электроснабжения предприятия, минимальной стоимости или максимальной эффективности — поиск значений параметров, сообщающих пцп(Фг) или пип(Фз).

Очевидно, что искомые параметры должны удовлетворять приведённому выше условию работоспособности системы ЭК-П, граничным условиям конструкционного характера, а также ограничениям логического плана, например, количество ВЭУ должно быть нулём или целым положительным числом, ограниченным сверху каким-то максимальным значением и, возможно, снизу, если требуется, чтобы в составе комплекса обязательно присутствовали, хотя бы в минимальном количестве, ветроустановки.

Четвертая глава посвящена разработке методики исследования и расчёта параметров системы ЭК-П на основе её имитационной модели. Структура программного решения имитационного моделирования системы автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности представлена на рисунке 3.

Задачи, решённые в рамках созданной методики, следующие:

- исследование параметров генерирующих устройств (ВЭУ, ФЭП, МГЭС), обеспечивающих их минимальную стоимость при заданном графике потребления энергии;

- расчёт структуры системы «Генерирующий комплекс на базе нескольких источников энергии (ВЭУ, ФЭП, МГЭС) - предприятие» максимальной эффективности;

- расчёт структуры элекгрогенерирующего комплекса максимальной мощности при заданной стоимости;

- расчёт структуры электрогенерирующего комплекса минимальном стоимости при заданном графике потребления энергии;

- исследование эксплуатационных параметров системы ЭК-П при смещении графика рабочего времени предприятия и недостаточном количестве энергетических ресурсов.

Тестирование методики выполнено для конкретной географической точки местности с координатами 52.9814, 38.967Е (глава 2), потребление электроэнергии которым осуществляется круглосуточно в соответствии с диаграммой, представленной на рисунке 4.

Блок ввода информации пользователем, анализа результатов, управления процессом оптимизации

Расчёт Параметры Параметры Расчёт Параметры Расчёт

ВЭУ ВЭУ сэс сэс мгэс МГЭС 1

Рисунок 3 - Структура программного решения имитационного моделирования системы автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности

Р, кВт

ШI ц

Ш1

О 2 4 е 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Время, ч

Рисунок 4 - Мощность, потребляемая электрогенерирующим комплексом в течение суток

Таблица 1 - Результаты расчёта оптимальной структуры генерирующего комплекса из условия минимальной стоимости и максимальной эффективности

Параметр Количество устрс в качестве крите )йств при выборе эия оптимизации Стоимость комплекса, руб. Критерий оптимизации

Максимальную эффективность Минимальная стоимость

ВЭУ ФЭП РТ АБ ВЭУ ФЭП РТ АБ Эффективность Стоимость

Январь 4 237 0 138 5 0 0 131 8 958 362 6 363 124

Февраль 4 49 0 143 5 0 0 129 6 578 062 6 330 124

Март 4 5 2 138 0 0 34 1 5 987 362 2 249 300

Апрель 5 74 0 124 0 0 27 0 • 7 217 024 1 994 100

Май 5 45 0 119 0 0 8 0 6 754 624 1 349 614

Июнь 6 62 0 119 0 0 27 0 7 602 286 1 997 514

Июль 7 43 0 123 0 0 45 2 8 044 348 2 644 314

Август 6 70 1 120 0 0 45 2 7 757 686 2 644 314

Сентябрь 4 50 4 121 0 0 34 1 6 364 562 2 249 300

Октябрь 5 38 0 128 0 0 34 1 6 811424 2 249 300

Ноябрь 5 72 0 142 6 0 0 128 7 487 824 6 938 586

Декабрь 5 0 0 142 5 0 0 142 6 544 624 6 544 624

Из анализа приведённых данных следует, что если условием проектирования генерирующего комплекса является его работоспособность: - с марта по октябрь, и консервация предприятия на период с ноября по февраль, то из расчётов следует исключить эти месяцы. Таким образом, структура комплекса: ВЭУ - О, ФЭП - О, РГ - 45, АБ - 2; стоимость - 2 644 314 рублей. Учитывая, что в отличие от энергии ветра и солнечного излучения, энергия водяного потока величина относительно постоянная, вводить искусственно дополнительный источник энергии нецелесообразно;

- с марта по октябрь, и поддержка предприятия в период с ноября по февраль в состоянии минимума потребления энергии (8 кВт-ч), то расчёты следует вести в два этапа: 1 — определение оптимального соотношения между ВЭУ и ФЭП для периода с ноября по февраль; 2 - оптимизация структуры комплекса для периода с марта по октябрь при назначении нижним границам для ВЭУ и ФЭП значений, позволяющих гарантировать выработку 30% мощности (ВЭУ -20% и ФЭП - 10%). Учитывая крайне низкую выработку электричества ФЭП в зимние месяцы, автор считает возможным на первом этапе отказаться от их применения. Минимальное количество аккумуляторов определить равное 42, что обеспечит 10 часов электроснабжения предприятия в аварийном режиме. Результаты расчёта первого этапа: ВЭУ — 2, ФЭП — 0, АБ — 42, стоимость - 3009738 руб. Таким образом, окончательно нижние границы варьируемых параметров: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 0, АБ - 42. Результаты расчёта второго этапа: март: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 19, АБ - 44, стоимость - 4224638 руб.; апрель: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 15, АБ - 43, стоимость - 4071738 руб.; май: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 5, АБ - 42, стоимость - 3714238 руб.; июнь: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 16, АБ

- 42, стоимость - 4089338 руб.; июль: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 28, АБ - 42, стоимость - 4498538 руб.; август: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 24, АБ - 44, стоимость -4497438 руб.; сентябрь: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 20, АБ - 42, стоимость -4225738 руб.; октябрь: ВЭУ - 2, ФЭП - 40, РТ - 20, АБ - 42, стоимость - 4225738 руб. Критический месяц - июль, который и определяет структуру электрогене-рирующего комплекса из условия его минимальной стоимости;

- в течение всего года. Поскольку МГЭС свободнопоточного типа не могут обеспечивать электроснабжение предприятия в зимние месяцы, то в этом случае оптимизация структуры комплекса выполняется из условия использования только двух типов генерирующих устройств. Её результаты (критический месяц июль): ВЭУ - 8, ФЭП - 0, АБ - 117, стоимость - 8 007 009 руб, при использовании в качестве критерия минимальную стоимость; ВЭУ - 7, ФЭП - 43, АБ - 128, стоимость - 8 044 348 руб, при использовании в качестве критерия максимальную эффективность; ВЭУ - 5, ФЭП - 260, АБ - 133, стоимость -9802124 руб, при условии, что 30% электроэнергии должно обеспечиваться за счёт ФЭП и использования в качестве критерия минимальной стоимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе реализовано новое решение актуальной научной задачи по созданию технологии синтеза структуры энергетического комплекса автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности, построенного на базе ветроэнергетических установок, солнечных фотоэлектрических батарей и малых ГЭС, расположенного в заданной географической точке местности, оптимизации параметров, исследованию работоспособности и качества его функционирования при различных внешних воздействиях. Одним из главных преимуществ предложенной технологии является определение состояния энергосистемы в любой момент времени (выработка энергии каждым источником и всеми, заряд аккумулирующих мощностей, способ питания потребителя), а также использование в качестве генерирующих мощностей нескольких различных источников и оптимизация их параметров.

В соответствии с темой диссертационной работы, целью и задачами исследования получены следующие научно-практические результаты:

1. Разработана методика определения параметров энергетических ресурсов заданной географической точки местности, обладающих возможностью преобразования в электрическую энергию посредством ветроэнергетических установок и солнечных фотоэлектрических батарей, основанная на коррекции статистических данных метеостанции, расположенной вблизи этой точки. Предложена методика и её программное решение, позволяющие автоматизировать процесс измерения, сохранения и обработки значений скорости ветра и солнечной инсоляции в рассматриваемой географической точке местности.

2. Разработана методика определения области затопления территорий при создании плотинных МГЭС.

3. Разработана математическая модель системы «Генерирующие устройства (ВЭУ, ФЭП, турбины МГЭС) — система аккумулирования — балластное сопротивление — потребитель», позволяющая описать энергетические процессы внутри неё в зависимости от характеристик генерирующих и аккумулирующих устройств, их количества и параметров потребления энергии. Предложены критерии, позволяющие оценить энергетическую и экономическую эффективность системы. Исследовано на их основе влияние конструктивных параметров генерирующих устройств на их мощность и определена целесообразность их оптимизации.

4. На основе математической модели разработана имитационная модель системы и её компьютерная реализация, позволяющая:

- оценить работоспособность конкретного элекгрогенерирующего комплекса, расположенного в заданной географической точке местности в течение любого заданного периода;

- оптимизировать конструкционные параметры генерирующих устройств;

- оптимизировать структуру элекгрогенерирующего комплекса;

- определить рациональные режимы потребления энергии предприятием для заданного месяца;

- оценить работоспособность комплекса при недостаточном количестве энергии ветра, солнечного излучения и водяного потока;

- в интерактивном режиме выполнить размещение ВЭУ и ФЭП на заданной территории.

5. Результаты диссертационной работы применены для расчёта параметров и структуры генерирующего комплекса, расположенного на территории Лебедянского района Липецкой области на месте ранее существовавшей Кураповской ГЭС, позволяющего обеспечить электроэнергией небольшое предприятие (до 60 кВтч), в течение восьмичасового рабочего дня. Исследована возможность использования генерации электроэнергии на базе одного источника энергии (энергия ветра, солнечного излучения или водяного потока), двух источников энергии: ветра и солнечного излучения, трёх источников энергии: ветра, солнечного излучения и водяного потока (как для случая применения Свободнопоточных, так и плотинных МГЭС). Выполнен сравнительный анализ эффективности применения рассмотренных вариантов на базе экономического критерия (стоимость генерирующего комплекса) и энергетического (минимум рассеянной балластным сопротивлением энергии) для различных режимов эксплуатации: сезонного, сезонного с консервацией и круглогодичного.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Шппганович, А.Н. Энергосбережение с использованием автономных источников на базе технологий альтернативной энергетики / А.Н. Шппганович А.Н., В.В. Телегин // Вести высших учебных заведений Черноземья. -2011. - №4 (26). - С. 16 - 21.

2. Телегин, В.В. Компьютерное моделирование эффективности использования систем альтернативной энергетики/ В.В. Телегин // Естественные и технические науки. 2012, №5(61). - С. 309 - 312.

3. Телегип, В. В. Оптимизация структуры и параметров автономных электрогенерирующих комплексов / В. В. Телегин // Научный журнал «Фундаментальные исследования» - Пенза: ИД «Академия Естествознания» -2013. -№ 8(2) - С. 312-317.

4. Зацепина, В.И. Электроснабжение потребителей с использованием возобновляемых источников энергии / В.И. Зацепина, Е.П. Зацепин, В. В. Телегин // Вести высших учебных заведений Черноземья. Научно-технический и производственный журнал. - Липецк: ЛГТУ, 2013. - №2 - С.33-35

5. Свид. 2012660892 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Технологии альтернативной энергетики (ТАЭ) /' В.В. Телегин; заявитель и правообладатель Телегин Валерий Викторов!« (1Ш). -№2012660892; заявл. 22.10.12; опубл. 30.11.12, Реестр программ для ЭВМ. -1 с.

6. Свид. 2013660692 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Моделирование территориального расположения сооружений автономного электрогенерирующего комплекса, построенного на базе технологий альтернативной энергетики / А.Н. Шпиганович, В.В. Телегин; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» (1Ш). - №2013660692; заявл. 30.07.2013; опубл. 14.11.13, Реестр программ для ЭВМ. - 1 с.

7. Телегин, В.В. Выбор автономных источников на базе технологий альтернативной энергетики/ В. В. Телегин, А. Н. Шпиганович // Применение инновационных технологий в научных исследованиях: сб. науч. ст. по материалам между-нар. науч.-практ. конф. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т., 2011. - С.123-127.

8. Телегин, В.В. Критерии выбора источников электроэнергии на базе технологий альтернативной энергетики/ В. В. Телегин, А. Н. Шпиганович // «Школа молодых учёных по техническим наукам». Материалы областного профильного семинара. - Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2011. - С.29-31.

9. Телегин, В.В. Параметры автономных систем энергоснабжения на базе альтернативных источников энергии/ В. В. Телегин, А. Н. Шпиганович // Сборник докладов V международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии». - Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. - С.98-100.

10. Телегин, В.В. Системы автономного энергоснабжения на базе технологий альтернативной энергетик / В.В. Телегин, А.Н. Шпиганович // Электрика. Ежемесячный научный, производственно-технический и информационно-аналитический журнал. - 2012. - №2. - С. 17-20.

11. Телегин, В. В Критерии оптимизации системы автономного электроснабжения с использованием технологий возобновляемой энергетики / В. В. Телегин // Спецпроект: ангшз наукових дослщжень : матер1али УШ М1жнар. наук,-практ. конф., 30-31 трав. 2013 р. : у 6 т. - Дншропетровськ : БшаК. О. - 2013. - Т. 3 : Науков1 дослщження в техшчних галузях, - С.66-70.

12. Телегин, В. В. Баланс мощности в системе электроснабжения потребителей с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) / В. В. Телегин // Актуальные направления научных исследований хх1 века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции Воронеж: ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» - 2013 г. - № 1 (1) - С.141-144.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1,7,9] проведено исследование основных параметров автономных энергоустановок, преобразующих энергию солнца, ветра и потока воды. В [4] исследованы энергетические потоки и баланс мощностей в замкнутой системе электроснабжения потребителя от альтернативных источников энергии. В [8, 10, 11] определены критерии выбора источников электроэнергии. В [6] разработано программное обеспечение и теоретические аспекты размещения генерирующих мощностей, преобразующих энергию ветра и солнечного излучения.

Подписано в печать05.03.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 185. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

На правах рукописи

04201457501

ТЕЛЕГИН ВАЛЕРИИ ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Шпиганович Александр Николаевич

Липецк 2014

В I г I I I

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. 5

1 ТЕХНОЛОГИИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ..................................................... 10

1.1 Альтернативные источники энергии и их доля в общем производстве электроэнергии........................................................................................................... 10

1.2 Использование энергии ветра для генерации электроэнергии........................ 17

1.3 Электростанции на солнечных батареях............................................................ 21

1.4 Малая гидроэнергетика........................................................................................ 26

1.5 Автономное электроснабжение потребителей на основе комплексного использования альтернативных источников энергии............................................. 31

1.6 Основные задачи исследования.......................................................................... 38

2 ОЦЕНКА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ТОЧКИ МЕСТНОСТИ......................................................... 40

2.1 Исследование потенциала энергии ветра, солнечного излучения и водяного потока территории электрогенерирующего комплекса.......................................... 43

2.2 Экспериментальное исследование валового энергетического потенциала географической точки местности............................................................................... 52

2.3 Автоматизация процесса сбора, обработки и оценки информации об возобновляемых энергетических ресурсах заданной территории........................... 60

2.4 Выводы.................................................................................................................. 61

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИЙ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.... 63

3.1 Баланс мощностей в системе автономного электроснабжения предприятий...... 64

3.2 Моделирование электрогенерирующих комплексов, построенных на базе нескольких источников энергии............................................................................... 71

3.3 Анализ влияния параметров электрогенерирующих установок на их мощность.................................................................................................................... 79

3.4 Оптимизация структуры и параметров электрогенерирующих комплексов...... 93

3.5 Оптимизация режимов работы систем автономного электроснабжения предприятий............................................................................................................... 99

3.6 Выводы..................................................................................................................101

4 ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ.....................................................102

4.1 Программный комплекс имитационного моделирования и оптимизации системы автономного электроснабжения предприятий......................................... 103

4.2 Исследование и оптимизация электрогенерирующих комплексов, построенных на базе одного источника энергии.................................................... 108

4.2.1 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ.....................109

4.2.2 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ФЭП.....................121

4.2.3 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе МГЭС..................128

4.3 Исследование эффекта смещение графика потребления электроэнергии и использования генерирующих комплексов при недостаточном количестве энергетических ресурсов............................................................................................135

4.4 Оптимизация структуры и исследование электрогенерирующих комплексов, построенных на базе нескольких источников энергии................. 140

4.4.1 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ, ФЭП.........143

4.4.2 Электрогенерирующий комплекс, построенный на базе ВЭУ, ФЭП и МГЭС...........................................................................................................................147

4.5 Выводы..................................................................................................................151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................152

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ А Характеристики возобновляемых энергетических ресурсов Липецкой области.......................................................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический

университет»........................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт об использовании результатов научно-исследовательской

работы в ООО «Информационно-энергетический центр «АВПС-Инновация»......176

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в ООО «АльтЭнерго»............................................................... 178

Е i \ i и я f

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Потенциал возобновляемых источников энергии России составляет миллиарды тонн условного топлива в год и значительно превышает объём всех потребляемых в настоящее время топливно-энергетических ресурсов. Его рациональное использование, в соответствии с энергетической стратегией развития России до 2030 года, позволит решить целый ряд проблем, связанных с экологически небезопасными процессами переработки углеродного топлива и его сбережением, снижением затрат на транспортировку топлива в территориально удалённые районы и повышением уровня энергетической надёжности этих районов. Учитывая, что около 70% территории страны, в числе которых и промышленно развитые районы, расположены вне централизованных электрических сетей, применение альтернативных источников для производства электроэнергии - дополнительный стимул к развитию промышленности, обеспечению занятости и повышению уровня жизни населения, а в конечном итоге, укрепление экономики России.

Таким образом, задача обоснования целесообразности создания на заданной территории электрогенерирующих комплексов, преобразующих энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока, безусловно актуальна, а научная и практическая значимость вопросов, связанных с разработкой методик расчёта их параметров, не вызывает сомнений.

Целью исследования является разработка технологии синтеза структуры и расчёта оптимальных параметров электрогенерирующего комплекса (ЭК), построенного на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ), солнечных фотоэлектрических панелей (ФЭП) и малых гидроэлектростанций (МГЭС), расположенного в заданной географической точке местности и предназначенного для электроснабжения предприятий ограниченной мощности (П), анализ его работоспособности в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

В( ХШЧ 15 ! И! !?»(!?¥*«ИПЖ?! 'ГГ г

- разработана методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности, обладающих возможностью преобразования в электрическую энергию посредством ветроэнергетических установок, солнечных фотоэлектрических батарей и малых ГЭС;

- разработана математическая модель электроснабжения в системе, включающей ветроэнергетические, солнечные фотоэлектрические установки, малые ГЭС и потребителя;

- создана технология имитационного моделирования и соответствующее программное обеспечение работы системы «Электрогенерирующий комплекс на базе альтернативных источников энергии - предприятие ограниченной мощности» (ЭК-П);

- разработана методика расчёта структуры и оптимальных параметров систем альтернативной энергетики, построенных на базе ветроэнергетических, солнечных фотоэлектрических установок, малых ГЭС и её компьютерная реализация.

Методология и методы исследования. Объект исследования - система автономного электроснабжения предприятий ограниченной мощности, удалённых от существующей энергосети. Предмет исследования - способы электроснабжения с использованием технологий альтернативной энергетики. При выполнении работы использовались результаты анализа и обобщения данных, приведённых в научно-технической литературе, методы экспериментальных исследований энергетического потенциала заданной точки местности. Теоретические исследования проводились на основе методов расчёта систем энергоснабжения, расчёта технико-экономических показателей энергетических установок, математического анализа и теории оптимизации. При разработке программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированных технологий в среде Microsoft Visual Studio 2010.

Научная новизна. В результате проведённых исследований получены следующие новые научные результаты:

- создана новая методика определения параметров возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, имеющего потенциальную возможность быть преобразованным в электрическую энергию посредством технологий альтернативной энергетики, отличающаяся тем, что в ней при-

менена предложенная автором система корректирующих коэффициентов, учитывающих особенности территории размещения генерирующих мощностей;

- разработана новая математическая модель и на её основе создана имитационная модель, позволяющая, в отличие от известных разработок, исследовать электрогенерирующие комплексы, структура которых, помимо устройств аккумулирования и рассеяния энергии, включает три типа генерирующих устройств: ВЭУ, ФЭПиМГЭС;

- разработана методика расчёта электрогенерирующего комплекса, отличающаяся возможностью поиска оптимальных значений, определяющих его структуру и конструкционные параметры из условий минимальной стоимости или максимальной мощности.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что в результате проведённых исследований:

- создана методика, позволяющая выполнить количественную оценку возобновляемого энергетического ресурса заданной географической точки местности, доступного для преобразования в электрическую энергию;

- разработана технология исследования системы ЭК-П, основанная на методах математического моделирования, позволяющая оценить её работоспособность в различных режимах эксплуатации и при разнообразных внешних воздействиях;

- создан программный продукт для ЭВМ, позволяющий решать задачи, связанные с имитационным моделированием энергетических процессов в системе ЭК-П, оптимизацией её структуры и параметров.

Положения, выносимые на защиту:

- методика определения энергетических ресурсов заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, расположенной в окрестности этой точки;

- математическая, имитационная модели и методика исследования на их основе системы ЭК-П;

- методика расчёта оптимальных структуры и конструкционных параметров электрогенерирующего комплекса.

Реализация работы. Результаты научных исследований: математическая, построенная на её основе, имитационная модель системы ЭК-АП, методика их применения для расчёта энергетических процессов в генерирующих системах, включающих ВЭУ, ФЭП и МГЭС, переданы ООО «Информационно-энергетический центр «АВПС-Инновация» и применяются при подготовке и реализации инновационных проектных решений, связанных с использованием альтернативных источников энергии для электроснабжения автономных потребителей. Технология имитационного моделирования и оптимизации параметров электрогенерирующих комплексов, построенных на базе альтернативных источников энергии, её программное решение внедрена в ООО «АльтЭнерго». Указанная технология используется в ООО «АльтЭнерго» при решении задач, связанных с определением структуры систем электроснабжения автономных потребителей, расположенных в заданных географических точках местности, оценке их стоимости и работоспособности.

Методика определения энергетического потенциала заданной географической точки местности на основе коррекции данных, полученных на метеостанции, расположенной в окрестности этой точки, программное обеспечение имитационного моделирования электроснабжения в системе «Энергетический комплекс -предприятие ограниченной мощности», методика оптимизации структуры и параметров этой системы используются в учебном процессе на кафедре электрооборудования ФГБОУ «Липецкий государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения диссертации, её отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры электрооборудования ЛГТУ в 2011, 2012, 2013 годах и обсуждались на конференциях, семинарах, выставках и конкурсах, в числе которых: III международная научно-практическая конференция: «Применение инновационных технологий в научных исследованиях», г. Курск, 2011; областной профильной семинар: «Школа молодых учёных по техническим наукам», г. Липецк, 2011; V международная научно-практическая конференция: «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2012; VIII международная научно-практической конференция: «Спецпроект: анализ научных исследований», Украина, г. Днепропетровск, 2013; международная науч-

но-практическая конференция: «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика», г. Воронеж, 2013; XIII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (призер), г. Москва, 2013; "УМНИК" -2013-2 (победитель программы), г. Липецк, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ. Зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 179 е., в том числе 169 с. основного текста, 62 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 156 наименований, 4 приложения на 10 страницах.

1 ТЕХНОЛОГИИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1.1 Альтернативные источники энергии и их доля в общем производстве электроэнергии

Истощение дешёвых запасов углеводородного сырья и их неравномерное распространение, а также пагубные экологические последствия его сжигания, напрямую связанные с энергетической безопасностью, вынуждают многие страны мира планировать сокращение абсолютного потребления энергии, получаемой за счёт ископаемого углеродного топлива [1, 2]. В связи с этим в современном мире начали формироваться тенденции перехода к новой низкоуглеродистой энергетике, одной из важнейших составляющих которой является использование альтернативных источников энергии (АИЭ).

Известна и более радикальная, но вполне обоснованная, позиция. Так, по мнению авторов работ [3, 4] мир в настоящее время стоит на пороге энергетической революции, содержанием которой будет переход от индустриальной к постиндустриальной энергетике. Индустриальная фаза энергетики - это крупные централизованные источники энергии на ископаемом топливе с ориентацией на валовой поток энергии. Суть постиндустриальной фазы - децентрализованные источники энергии с ориентацией на использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и оптимальное управление потоками энергии.

Результаты анализа статистических данных [5-10], выполненного автором, позволяют говорить о росте мировых инвестиций в ВИЭ. Так, если в 2008 году они составили 140 миллиардов долларов, то в 2009, 2010 и 2011 годах, соответственно, - 160, 211 и 260 миллиардов долларов. С ростом вложений в альтернативную энергетику наблюдается устойчивое увеличение электроэнергии вырабатываемой электростанциями, работающими на возобновляемых энергетических ресурсах.

На рисунке 1.1 представлена информация о количественном и качественном изменении вводимых в эксплуатацию электроэнергетических мощностей, генерируемых различными типами электростанций ЕС.

Данные, приведённые на рисунке 1.2, свидетельствуют об устойчивой тенденции к повышению в странах ЕС роли ВИЭ и постепенной ликвидации электростанций, работающих на ископаемом углеродном топливе.

Энергетической стратегией России на период до 2030 года [1] определены основные цели использования ВИЭ. Среди которых:

- снижение темпов роста антропогенной нагрузки на окружающую среду и противодействие изменению климатическим изменениям при необходимости удовлетворения растущего потребления энергии;

- рациональное использование и снижение темпов роста потребления имеющихся ресурсов ископаемого топлива в условиях �