автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электроприводы энергетических гелиоустановок без концентрации излучения

На правах рукописи

Сорокин Георгий Александрович

Электроприводы энергетических гелиоустановок без концентрации излучения.

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук

Овсянников Евгений Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гамазин Станислав Иванович;

кандидат технических наук Изосимов Дмитрий Борисович.

Ведущее предприятие: Федеральное государственное

унитарное предприятие, Научно-технический производственный комплекс «Геофизика APT»

Защита диссертации состоится «16» сентября 2005 г. в 14 час. 00 минут в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14 Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ). Автореферат разослан « » июня 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

¿т^г 3 мезсм

40 т-

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Эти источники энергии рассматриваются как существенное дополнение к традиционным, а в перспективе - как основные производители тепловой и электрической энергий для всех сфер деятельности человека.

Из всех видов возобновляемых источников энергии наиболее перспективным и доступным представляется Солнце. Для преобразования энергии излучения Солнца в электрическую или тепловую используются специальные устройства - энергетические гелиоустановки (ГУ). Многие страны уделяют большое внимание развитию солнечной энергетики. В первую очередь это страны Европейского Союза, Япония и США. Развивающиеся страны, испытывающие недостаток в национальных энергоресурсах также приобретают гелиоустановки в стратегических интересах или для решения специфических проблем. Наиболее актуальным направлением на сегодняшний день представляется использование небольших автономных гелиоустановок в пустынных местностях для бытовых и сельскохозяйственных нужд - освещения, подачи воды насосами и т.п.

Запас солнечной энергии неисчерпаем, а физические принципы преобразования этой энергии в виды, удобные для потребления, просты, надежны, и безопасны. Мощность лучистого потока энергии Солнца, достигающего Земли, по имеющимся в литературных источниках оценкам, более чем на четыре порядка превышает суммарную мощность всех источников энергии, действующих в мире. Все это дает основание прогнозировать уже в недалеком будущем существенное повышение роли солнечной энергетики.

В России солнечная энергия имеет большой потенциал, более 2000 млрд.тонн условного топлива. Особый интерес в условиях России представляют фотоэлектрические гелиоустановки без концентрации излучения. Для наведения гелиоустановок на Солнце в мировой практике, как правило, используется электропривод. В связи с тем, что стоимость электроэнергии, производимой гелиоустановкой очень высока, стоит задача повышения КПД установки, снижан^с ДЯВДбйЩШШи электроприводом

электроэнергии.

БИБЛИОТЕКА {

С« О»

1Ш«« »«V • к

Научной проблемой является создание теоретической базы проектирования электроприводов фотоэлектрических ГУ без концентраторов, направленной на улучшение энергетических показателей, повышения надежности и уровня автоматизации и снижения стоимости системы. Без внимания остаются вопросы, связанные с обоснованием выбора мощности электроприводов энергетических ГУ.

Объект исследования: системы электроприводов энергетических ГУ.

Цель работы: улучшение энергетических показателей, повышение экономичности, надежности и уровня автоматизации энергетических ГУ наземного базирования на основе теоретической и практической разработки их электроприводов. В работе представлены и решены следующие задачи:

1. Определение моментов ветровых воздействий на гелиоустановку по регионам России.

2. Определение влияния ветровых воздействий на работоспособность гелиоустановки, разработка системы защиты электропривода (ЭП) от максимальных ветровых воздействий.

3. Обоснование целесообразности пошагового режима автосопровождения Солнца для энергетических ГУ без концентрации солнечного излучения.

4. Разработка универсального модульного опорно-поворотного устройства гелиоустановки.

5. Разработка датчика рассогласования с расширенной пеленгационной характеристикой.

6. Разработка автоматизированного следящего электропривода (СЭП), обеспечивающего многодневную работу гелиоустановки без вмешательства человека.

Методы исследования: Поставленные в работе задачи решаются с применением аппарата математического анализа, аппарата преобразований Лапласа и разложения в ряды Тейлора, Фурье, методов дифференциально-интегрального исчисления, теоретических основ электропривода, основ электротехники и электроники, теории электрических машин, физического и математического моделирования. Исследования проводились с применением программы БтиИгук пакета \latlab. Отдельные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями, выполняемыми на реальных моделях в лабораторных и производственных условиях с использованием .специально разработанных стендов и методик. ! .-г. ■

■ ►г Э-

Научная новизна диссертационной работы заключается в теоретических и практических исследованиях, сущность которых заключается в следующем: ¡.Выделены особенности СЭП энергетических ГУ, накладываемые спецификой работы оборудования, в том числе спецификой условий эксплуатации на широтах России.

2. Предложена методика анализа энергетических потерь в ЭП, а также дополнительных потерь в фотоприемнике, вызванных пошаговым режимом автосопровождения Солнца энергетических ГУ без концентраторов; предложен способ оценки оптимальной величины шага.

3. Предложена методика расчета мощности СЭП энергетической гелиоустановки, с учетом установленной мощности фотопреобразователя и конкретной местности и района, где проводится эксплуатация ГУ.

4. Разработана математическая модель электропривода ГУ для исследований в программе вшиПпк пакета МаНаЬ влияния ветровых воздействий на работоспособность системы.

5. Разработан способ снижения мощности электропривода энергетических ГУ без концентрации энергии.

На защиту выносятся 1. Аналитические зависимости для анализа энергетических потерь в электроприводе и дополнительных потерь в фотоприемнике вследствие перехода к пошаговому режиму автосопровождения Солнца; способ определения оптимальной величины шага.

2. Расчетные формулы для определения ветровых воздействий на фотоприемник ГУ, положенные в основу методики расчета мощности двигателя.

3. Математическая модель электропривода для исследований в программе БипиПпк пакета МаИаЬ динамики системы.

4. Способ снижения мощности электропривода энергетических гелиоустановок и функциональная схема электропривода.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам. Обоснованность основанных выводов и рекомендаций подтверждена эксплуатационными испытаниями и внедрением в практику предложенных технических решений по реализации систем ЭП для энергетических ГУ.

Практическая ценность результатов работы:

1. Разработанная методика определения оптимального шага при пошаговом автосопровождении Солнца энергетических ГУ может быть рекомендован при проектировании новых и модернизации действующих энергетических ГУ без концентрации излучения.

2. Разработанные методики выбора мощности позволяют оптимизировать процесс проектирования СЭП энергетических ГУ, являются основой достижения баланса надежности и экономичности силовой части СЭП .

3. Предложен способ снижения мощности двигателя, позволяющий повысить экономичность СЭП энергетической ГУ без концентрации излучения.

4. Разработано универсальное модульное опорно-поворотного устройство гелиоустановки.

5. Разработан датчик рассогласования с расширенной пеленгационной характеристикой.

6. Разработана принципиальная схема СЭП энергетических гелиоустановок, позволяющая гарантировать надежную работу привода.

Реализация результатов работы.

Основные результаты работы использованы при создании опытных образцов энергетических ГУ с выходной электрической мощностью 200 Вт и 2000 Вт в Московском энергетическом институте, а также в разработках ФГУП НТПК «Геофизика APT» (г. Москва).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г.Москва,2004г.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 6 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из содержания, перечня принятых сокращений, введения, четырех глав с иллюстрациями и таблицами, заключения, списка литературы из 69 наименований. Общий объем работы 176 страниц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, проведен обзор литературы, на основании которого определена основная цель работы и конкретные задачи по ее выполнению.

В первой главе диссертации проводится анализ литературы, описывается устройство и применение энергетических гелиоустановок, показывается актуальность проблем солнечной энергетики. Сделан обзор энергетических гелиоустановок, производящих электроэнергию: башенных и турбогенераторных (модульных) гелиоустановок, гелиоустановок на основе фотополупроводниковых преобразователей с концентрацией и без концентрации излучения.

В России наиболее приемлемым типом гелиоустановок представляется энергетические гелиоустановки на основе полупроводниковых фотопреобразователей без концентрации энергии. Причиной этого является способность данного типа ГУ с достаточной эффективностью преобразовывать не только прямую солнечную радиацию, но и рассеянную, а также способность работать круглый год, в том числе зимой. Как показывают литературные источники, доля рассеянной солнечной радиации на территории России составляет в среднем не менее 40% в годовой сумме солнечной радиации. На крайнем севере эта величина доходит до 75%, а в районе Москвы составляет 50-55%. Фотоэлектрические ГУ без концентрации излучения целесообразно исполнять с системой наведения на Солнце. На территории России количество прямой солнечной радиации, поступающей на нормально ориентированную к солнечному лучу поверхность примерно в два раза больше количества прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность. В подтверждении указанных цифр в диссертации приведены географические карты с распределением количества поступающего солнечного излучения.

В этой же главе рассмотрен принцип преобразования энергии солнечного излучения в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов (ФЭ). Приведена упрощенная эквивалентная схема полупроводникового ФЭ, расчетные и реальные световые вольт-амперные характеристики. Наиболее часто в гелиоустановках для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую используются кремниевые солнечные элементы, что объясняется их невысокой стоимостью по сравнению с другими типами ФЭ, однако даже гелиоустановка на основе кремниевых ФЭ весьма дорогостоящая. Стоимость отдельных кремниевых ФЭ на сегодняшний день

составляет около 2-2,5 долл/Ватт, в то время, как стоимость гелиоустановки на основе ФЭ может доходить до 3-4 долл/Вт. КПД серийных ФЭ из кремния составляет 12-15%, а у лучших образцов доходит до 20%. На данный момент наилучший КПД получен у двухслойного ФЭ, состоящего из двух полупроводников - арсенида и антимонида галлия - 37%. Однако стоимость такого ФЭ очень высока.

Значительная часть первой главы уделена обзору опорно-поворотных устройств и электроприводов энергетических гелиоустановок. Детально рассмотрены опорно-поворотные устройства с экваториальной и азимутально-зенитальной системой координат. Отмечено, что для фотоэлектрических ГУ без концентрации энергии целесообразно применять экваториальную систему координат, где положения по основной оси регулируется в течении всего дня автоматически, а по оси склонение положение меняется вручную несколько раз в год; для ГУ с концентраторами излучения целесообразно использовать азимутально-зенитальную систему координат, где положение регулируется автоматически по двум осям. Кроме этого существуют и другие системы координат. В частности, описано опорно-поворотное устройство с взаимосвязанным электроприводом. Однако опорно-поворотные устройства на базе других систем координат необоснованно сложны или имеют существенные недостатки, и на практике для наземных ГУ применяются редко.

Для ориентации энергетической ГУ на практике используют системы электроприводов различных типов: шаговый электропривод в режиме программного управления от вычислительной машины или в режиме часовой заводки с управлением от задающего генератора импульсов (для экваториальных координатных осей); следящий шаговый электропривод в режиме автосопровождения с управлением от датчика рассогласования; следящий электропривод постоянного тока с управлением от датчика рассогласования. Последний вариант представляется наиболее целесообразным.

Для небольших гелиоустановок с установленной выходной мощностью до 10 кВт мощность используемого электродвигателя следящего электропривода обычно не превышает 1 кВт, а часто бывает менее 100 Вт. В качестве силового регулятора напряжения для СЭП постоянного тока ГУ с концентраторами излучения, работающих в режиме непрерывного слежения за Солнцем рассматриваются тиристорный преобразователь, преобразователь на транзисторах, работающих в усилительном режиме, широтно-импульсный

преобразователь на транзисторах. Наиболее предпочтительным вариантом с точки зрения энергосбережения является широтно-импульсный преобразователь, тем не менее, несмотря на низкий КПД, преобразователь на транзисторах, работающих в усилительном режиме, достаточно распространен в существующих электроприводах гелиоустановок.

Для фотоэлектрических ГУ без концентрации излучения целесообразно

рассмотреть пошаговый режим автосопровождения Солнца, реализуемый с помощью одноконтурного релейного следящего

электропривода постоянного тока, с управлением от датчика рассогласования. Диаграммы тока в якорной цепи, скорости, и положения вала двигателя в режиме пошагового автосопровождения Солнца представлены на рис.1.

Во второй главе дается обоснование выбора оптимального режима автосопровождения Солнца. Проводится анализ эффективности пошагового режима автосопровождения Солнца.

Для фотоэлектрической гелиоустановки без концентрации излучения с экваториальной системой координат определены потери энергии в фотоприемнике дй^ за дневной сеанс слежения в результате перехода от

режима непрерывного автосопровождения Солнца к режиму пошагового автосопровождения:

в.

Рис.1. Диаграммы тока в якорной цепи двигателя, скорости и положения вала двигателя в пошаговом режиме автосопровождения Солнца.

АК

Ф

(«V.

й>с)-Ф<

■(«! - 5т аГ| -а2 +вта2),

(1)

где юш - скорость фотоприемника в течении шага, рад/с;

сос - скорость кажущегося движения Солнца по небосклону, рад/с;

(II - отклонение оси фотоприемника от направления на Солнце в начале

совершения шага, рад;

а2 - отклонение оси фотоприемника в конце совершения шага, рад;

Рт-выходная электрическая мощность фотопреобразователя при ориентации

фотоприемника по нормали к солнечному лучу.

Соответственно, средние потери мощности в фотоприемнике в результате перехода от непрерывного к пошаговому режиму автосопровождения Солнца при сош » сос составят:

дРф =-т-{а1 -эта, -а2 +зта2), вщ

(2)

где 0Ш -величина шага, рад.

Приближенно, с точностью до 2% при изменении углов с^ и а2 в пределах от -10° до+10° и при й)ш >>а>с выражение (1) можно переписать в виде:

вш *>с

( 3 3 ^

а{ -а2

(3)

Исследуя зависимость потерь энергии и мощности в фотопреобразователе от величин а, и а2 при фиксированной величине шага, можно определить условие минимума потерь:

а =_а = 1 2 2

(4)

На рис.2 представлены зависимости ДРф / Рт от величины шага вш: кривая 1, построенная по условию минимума (4), и кривая 2, построенная при а,= 0Ш иа2=0.

^-хЮ-з

10 12 бш, фад

Рис. 2. Зависимость дополнительных средних потерь мощности фотопреобразователя от величины шага.

Экономию энергии в электроприводе в результате перехода от непрерывного режима к пошаговому режиму автосопровождения Солнца целесообразно оценить через коэффициент эффективности, представляющего отношение потерь в базовом варианте электропривода при непрерывном слежении к потерям при пошаговом слежении. За базовый вариант принята система одноконтурного следящего электропривода с преобразователем на транзисторах, работающих в усилительном режиме. В результате получено выражение для коэффициента эффективности, которое в упрощенном виде запишется следующим образом:

1ЭФФ

А 0С + Б

1

ас ар .

уст

(5)

где А

( \ фс

-полином от

0)с

(О

'111

( л (Ог

\°>Ш)

— К-оТ^МЕХюм

/■ \ (Ог

+ КоТ^СТном

( \ (Ог

\®ии

+ КФсо.

г \

(Ог 1--^К,

Ч <°ш

хот

О - параметр, не зависящий от скорости вращения вала двигателя,

£) = ЛРД0Б + &РВ + 1с\&яц + ^ щ!с\ др^-потери в течение шага в установившемся режиме, Вт;

ЬРуст = ^ОТ ^МЕХ.ном + ^ОТ^СТ.ном + ^ДОБ + ^В + 1С2&Я + + ^СрУс2 '

В - коэффициент, отражающий потери энергии в электроприводе в переходных процессах. Если система возбуждения двигателя выполнена на постоянных магнитах,

то параметр В определится:

В = Т,

м

-('аз-1с2? '&Я Н^КЗ-1с2)'(2иЩ + и°Стр + 2/сг^Я)-КОт(^СГ ном+^МЕХ нам)

+ТМ ■ АРуст

+ (6);

К

50 40 30 20 10 о

эфф -....... ч

/- ч 40

I

/—

10

10

16

20

6„, град

Рис.3 Зависимость К^ от величины шага вш

при неизменной скорости Солнца й»с=2'10"4рад/с и разных отношениях (Ощ/ас.

На рис.3 представлены зависимости Кэфф от вш, для двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов МЭ 215, который использовался в электроприводе реальной гелиоустановки.

В результате обобщения полученных результатов

была определена функция энергетической эффективности пошагового режима автосопровождения Солнца, учитывающая как экономию энергии в электроприводе, так и потери в фотоприемнике. Зависимость этой функции (в относительных единицах) от величины шага для конкретного спроектированного электропривода энергетической ГУ представлена на рис.4. Функция имеет максимум, соответствующий оптимальной величине шага. В практических целях рекомендован некоторый интервал величин шага в окрестности оптимальной величины шага.

Рекомендуемый диапазон величины шага.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 в,50 &щ , ОТН.вД.

Рис.4 Диаграмма обобщенной функции энергетической эффективности пошагового режима слежения в зависимости от

величины шага.

Методами дифференциального исчисления определено выражение для оптимальной, по условию энергосбережения, величины шага:

где Кш принимает значения в зависимости от соотношения углов а, и а2; при выполнении условия минимума (4) Кш принимает максимальное значение, равное 12.

Третья глава посвящена обоснованию оптимальной мощности двигателя слежения энергетических гелиоустановок без концентрации энергии. Расчет мощности двигателя слежения ведется по формуле:

где Мветр- расчетное значение момента сил вращения фотоприемника, обусловленного действием ветра, Н;

МТР- момент трения в опорах фотоприемника, Н;

дисбалансом моментов вращения, определяемых весом фотоприемника и уравновешивающего груза, Н;

соивм- максимальная требуемая скорость исполнительного вала, рад/с;

г/щ- КПД кинематической цепи;

К3 - коэффициент запаса по мощности двигателя.

Сила Раетр и момент Мвегр не постоянны во времени. Они зависят как от скорости ветра в данный момент времени, так и от конструктивных особенностей установки, положения фотоприемника, особенностей местности и т.д. Если подходить к расчету Мветр и Рветр строго, то это потребует весьма громоздких вычислений и учета большого числа факторов. Поэтому была поставлена задача определить аналитические зависимости для Мветр и Рветр от немногих, наиболее существенных факторов, которые поддаются несложной количественной оценке Влияние остальных факторов должно быть рассмотрено в своих наиболее неблагоприятных вариантах.

Для решения поставленной задачи были проанализированы рекомендации, изложенные в действующем СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». Задача в первую очередь решалась для энергетических

(7)

Пкц

Мдисб- момент сил вращения фотоприемника, обусловленный

гелиоустановок без концентрации энергии, имеющих плоский прямоугольный фотоприемник. Предложенные математические зависимости имеют следующий вид:

М№пр = 15ШГ0, (9)

^ = 2 БШ,, (10)

где Б - площадь фотоприемника, м2;

к - коэффициент, определяемый в зависимости от высоты установки над поверхностью земли и типа местности;

Wo - нормативное значение ветрового давления, определяемое в соответствии с районированием территории страны по уровням ветрового давления, Па.

Величины к и¥0 определяются по СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия».

Опираясь на найденные аналитические зависимости, в диссертации предложена методика расчета мощности двигателя для энергетических гелиоустановок без концентрации энергии, которая была использована при проектировании реальной гелиоустановки. Опыт эксплуатации показывает приемлемость данной методики и целесообразность использования ее при проектировании других гелиоустановок.

Также в этой главе проведено исследование динамических процессов в разработанном электроприводе. Произведено математическое моделирование электропривода при воздействии на фотоприемник ударных ветровых нагрузок в программе 8тиНпк пакета МаЙаЬ. Разработанная математическая модель учитывает влияние упругого элемента и сил трения в кинематической цепи, диссипативных аэродинамических сил, эффекта самотормажения «

кинематической цепи. Исследовано перераспределение мощности в электроприводе вследствие механических колебаний.

В этой же главе предложен способ снижения мощности электродвигателя, позволяющий несколько сократить стоимость привода, повысить энергетическую эффективность, а также, при необходимости, реализовать защиту от недопустимых ветровых нагрузок. Суть способа заключается в том, чтобы получать информацию о действие ветра на фотоприемник, контролируя деформации на выходе кинематической цепи. Таким образом, появляется возможность совершать перемещение (шаг), в те интервалы времени, когда действие ветра минимально препятствует перемещению, а, лучше, максимально помогает ему.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации результатов исследований и созданию экспериментального макета электропривода энергетической гелиоустановки с использованием предложенного способа снижения мощности электропривода. В данной главе произведен расчет мощности электродвигателя для конкретной фотоэлектрической гелиоустановки с выходной установленной электрической мощностью 2000 Вт на основании предложенных ранее зависимостей. Разработан датчик рассогласования, имеющий расширенную пеленгационную характеристику. Конструкция датчика рассогласования представлена на рис5, а его пеленгационная характеристика - на рис.6. Разработано универсальное модульное опорно-поворотное устройство, где отдельные модули связаны между собой карданными валами. Данная разработка позволяет наращивать площадь фотопреобразователя без существенных изменений уже действующей конструкции. Разработана принципиальная схема системы электропривода и автоматики, которая предварительно внедрена для системы ориентации на Солнце энергетической гелиоустановки с выходной установленной электрической мощностью 200 Вт, а затем - для гелиоустановки с выходной мощностью 2000 Вт. Обе гелиоустановки предназначены для эксплуатации за пределами России. На гелиоустановке с выходной электрической мощностью 2000 Вт проведены экспериментальные исследования, результаты которых представлены на рис.7.

Рис.5. Датчик рассогласования с расширенной пелеигациоиной характеристикой.

Рис.6. Пеленгационная характеристика разработанного датчика рассогласования.

а) Экспериментально снятая зависимость угла дисбаланса модулей фотоприемника от угла наклона фото приемника к горизонтали.

б) Экспериментально снятая зависимость тока якоря от угла наклона фотоприемника к горизонтали.

1я,А

мин

в) Экспериментально снятая зависимость тока якоря от времени при воздействии на фотоприемник ветровых нагрузок.

Рис.7 Экспериментально снятые зависимости на действующей гелиоустановке.

В этой же главе проведен анализ возможных способов контроля ветровой нагрузки, с учетом имеющегося на современном рынке соответствующего оборудования и его стоимости. В качестве наиболее приемлемого варианта предлагается контролировать деформации на выходе кинематической цепи с помощью тензорезисторов, в частности фольговых тензорезисторов, приклеиваемых на выходной вал кинематической цепи гелиоустановки. Для исследования возможности практической реализации способа снижения мощности электропривода создан экспериментальный макет электропривода гелиоустановки, в котором реализована обратная связь от тензометрического датчика, контролирующего деформации кручения. Система выполнена в наиболее простейшем варианте: при достижении определенного уровня напряжения с выхода тензометрического моста

происходит блокировка управляющего сигнала независимо от уровня напряжения на выходе датчика рассогласования. В диссертации рассмотрены и более сложные варианты, когда уровень блокирующего сигнала с тензодатчика ставится в определенную зависимость от выходного напряжения на датчике рассогласования. Фотография экспериментального макета установки представлена на рис.8. Результаты эксперимента представлены на рис.9.

Рис.8 Фотография экспериментальной установки.

Д <р3

Напряжение питания на двигателе.

Рис.9 Экспериментально снятые характеристики на макете электропривода при конкретно подобранных параметрах регулируемых элементов.

Заключение.

В данной диссертации разработана теоретическая база для проектирования электроприводов энергетических ГУ без концентрации излучения, направленная на улучшение энергетических показателей, повышения надежности и уровня автоматизации, и снижения стоимости системы, а также произведена практическая разработка СЭП энергетических ГУ без концентрации лучистого потока.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Произведен анализ особенностей и разработаны технические требования к электроприводу и системе автоматике современных энергетических ГУ без концентрации излучения, предназначенных для эксплуатации в России.

2. Предложены математические зависимости для анализа потерь энергии в электроприводе и дополнительных потерь в фотоприемнике вследствие перехода к пошаговому режиму автосопровождения Солнца; разработана методика определения оптимальной величины шага. Определено, что в рассмотренном варианте затраты энергии на электропривод в результате перехода от непрерывного режима к пошаговому снижаются до 50%.

3. Предложены аналитические зависимости для определения ветрового момента Мветр и ветровой силы Рветр, действующих на фотоприемник, от наиболее существенных факторов: площади фотоприемника, размера фотоприемника по линии, перпендикулярной оси вращения, некоторых особенностей местности и конкретного района эксплуатации. Влияние остальных факторов рассмотрено в своих наиболее неблагоприятных вариантах. Данные зависимости положены в основу разработанной методики « расчета мощности двигателя для энергетической гелиоустановки.

4. Разработана математическая модель электропривода для исследования влияния ветровых воздействий на работоспособность гелиоустановки.

5. Предложен, теоретически проанализирован и экспериментально исследован способ снижения мощности в электроприводе, позволяющий снизить как расходы энергии на электропривод, так и капитальные затраты. По оценкам установленная мощность электропривода и расходы энергии на электропривод могут снижаться до 40% в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

6. Разработаны датчик рассогласования с расширенной пеленгационной характеристикой и универсальное модульное опорно- поворотное устройство. Разработаны принципиальные схемы электропривода и системы автоматики энергетических ГУ без концентрации излучения, позволяющие гарантировать высокую надежность работы.

7. Основные результаты работы использованы при создании опытных образцов энергетических ГУ с выходной электрической мощностью 200 Вт и 2000 Вт в Московском энергетическом институте, а также в других разработках.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Овсянников Е.М., Сорокин Г.А. Способы снижения установленной мощности и защиты электропривода энергетической гелиоустановки.// Привод и управление, №4. - М.:2002. - С. 34-36.

2. Овсянников Е.М., Сорокин Г.А. Особенности электроприводов энергетических гелиоустановок.// Тр. Ин-та/ МЭИ - 2003. - Вып.679. -С.47-51.

3.Сорокин Г.А. Способ снижения установленной мощности следящего электропривода энергетических гелиоустановок. // Тезисы докладов на X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М.:2004. - С.124.

4. Сорокин Г. А. Теоретические исследования упругих механических колебаний в электроприводе энергетических гелиоустановок.// Естественные и технические науки, №4. - М.:2004. - С.205 - 209.

5. Сорокин Г.А. Потери энергии в электроприводе гелиоустановок.// Вестник МЭИ, №5. - М.:2004. - С. 45-47.

6. Овсянников Е.М., Сорокин Г.А. Методика расчета мощности двигателя для следящего электропривода энергетической гелиоустановки.// Естественные и технические науки, №6. -М.-.2004. -С. 122-123.

ИМ 2 63 4

РНБ Русский фонд

2006-4 10567

Подписано в печать 1 ' Зак. 7 ' Тир. / ' П.л. /,<■

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Принятые сокращения.

Введение.

1. Устройство и применение энергетических гелиоустановок.

1.1 Обзор энергетических гелиоустановок, производящих электроэнергию.

1.2 Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи.

1.3 Динамика развития фотоэлектрической гелиотехники.

1.4 Целесообразность использования солнечной энергетики в

России.

1.5 Основные положения о движении Солнца по небосклону.

1.6 Обзор опорно-поворотных устройств гелиоустановок.

1.7 Обзор электроприводов энергетических гелиоустановок.

1.8 Выводы.

2. Анализ эффективности пошагового режима автосопровождения Солнца.

2.1. Условия и режимы работы энергетических гелиоустановок.

2.2. Функциональная схема электроприйода энергетической гелиоустановки без концентрации излучения.

2.3 Исследование потерь энергии фотопреобразователя энергетических гелиоустановок при переходе от непрерывного к пошаговому режиму.

2.4 Анализ экономии энергии в электроприводе в результате перехода от непрерывного режима автосопровождения к пошаговому.

2.5 Вывод обобщенной функции эффективности пошагового режима. Определение целесообразности перехода от непрерывного к пошаговому режиму по условию энергосбережения.

2.6 Выводы.

3. Обоснование оптимальной мощности двигателя слежения.

3.1. Анализ факторов, влияющих на требуемую мощность двигателя слежения.

3.2.Основы для расчета ветровой нагрузки.

3.3. Расчет вращающего ветрового момента, действующего на плоский фотоприемник гелиоустановки.

3.4.0пределение момента трения в опорах фото приемника.

3.5 Теоретические исследования характера упругих колебаний в. электроприводе энергетических гелиоустановок.

3.6 Анализ перераспределения мощности в электроприводе вследствие механических колебаний.

3.7 Способ снижения мощности двигателя.

3.8 Выводы.

4. Практическая реализация системы электропривода и автоматики гелиоустановки.

4.1 Выбор электродвигателя для электропривода проектируемой гелиоустановки.

4.2 Разработка системы автоматики.

4.3 Разработка универсального модульного опорно-поворотного устройства гелиоустановки и датчика рассогласования с расширенной пеленгационной характеристикой.

4.4 Разработка блока управления солнечной батареи.

4.4.1 Описание узла управления, коммутации и индикации.

4.4.2 Описание узла стабилизации тока и напряжения аккумуляторной батареи.

4.4.3 Описание узла автоматической ориентации солнечных батарей.

4.5 Отработка режимов работы СЭП и системой автоматики спроектированными гелиоустановками.

4.6 Анализ возможностей контроля ветровой нагрузки, действующей на фото приемник.

4.7 Описание экспериментального макета электропривода гелиоустановки с применением датчика ветрового воздействия.

4.8 Выводы.

В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Эти источники энергии рассматриваются как серьезное дополнение к традиционным [1].

На данный момент необходимость развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии обусловлена следующими факторами [2,3]:

- возможностью решения проблем линий энергообеспечения отдаленных, труднодоступных и экологически напряженных районов;

- сокращение объемов строительства линий электропередач, особенно в труднодоступных и отдаленных местах;

- участием их в оптимизации графиков загрузки оборудования на электростанциях с учетом их сезонного использования;

- снижения выбросов СОг, >ЮХ и других, что позволяет финансировать строительство за счет оплат «квот за выбросы».

К возобновляемым источникам энергии относится ветровая, гидравлическая, солнечная, геотермальная энергии; энергия биомассы. Среди всех источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Годовое количество солнечной энергии, достигающей

1Я поверхности Земли оценивается в 1,05-10 кВт-ч. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5% всей падающей на

16 12 Землю энергии, то есть 1,62-10 кВт-ч в год, что экви-валентно 2-10 тонн условного топлива. В табл. 1В представлена оценка ресурсов нетрадиционных возобновляемых источников энергии России [4].

Таблица 1В

Наименование Валовый Технический энергоресурсов млрд т.у.т. млрд т.у.т.

Малая гидроэнергетика 0,36 0,125

Геотермальная энергия 180 20

Энергия биомассы 10 0,05-0,07

Энергия ветра 26 2

Солнечная энергия 2300 2,3

Низкопотенциальное тепло 0,525 0,105

В настоящее время по данным Международного энергетического агентства производство электроэнергии за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии оценивается более чем в 2000 млрд. кВт-ч, что составляет около 2% от общего ее производства, и эта доля постоянно увеличивается [5]. В табл.2В приведены прогнозы вклада «новых» возобновляемых источников энергии по данным Мирового энергетического совета в 2020 году [5].

Таблица 2В

Минимальный Максимальный

Виды энергоресурсов вариант вариант

Млн. т.н.э. % Млн.т.н.э %

Современная биомасса 243 45 561 42

Солнечная энергия 109 20 355 26

Ветровая, геотермальная,

МГЭС, мусор г 187 35 429 32

Всего 539 100 1345 100

От общего первичного энергопотребления, % 3-4 8-12

Из таблицы видно, что хотя доля нетрадиционной энергетики должна значительно увеличиться, но и в максимальном варианте она не превысит 8-12%. Вместе с тем, нетрадиционная энергетика будет существенно влиять на состояние и уровень энергосбережения [5].

Для преобразования энергии излучения Солнца используются специальные устройства — гелиоустановки (ГУ). В настоящее время применяются гелиоустановки различного назначения и принципа преобразования энергии: солнечные во до- и воздухонагреватели; установки прямого преобразования энергии Солнца в электрическую на полупроводниковых фотопреобразователях без концентрации и с концентрацией излучения; тепловые энергетические турбогенераторные установки (еще иначе называемые модульными), тепловые гелиостатные электростанции башенного типа с газотурбинными циклами; наземные и орбитальные высокотемпературные печи; орбитальные солнечные батареи. В мировой практике для ориентации ГУ на Солнце как правило используется электропривод.

Солнечные печи - установки, концентрирующие солнечную энергию и преобразующие ее в тепловую. Солнечные печи являются технологическими ГУ. В них производится изготовление, обработка и испытание промышленных изделий из тугоплавких материалов. Данные ГУ предъявляют наиболее высокие требования к точности наведения на Солнце. В работе [6] следящий электропривод (СЭП) солнечной печи рассматривается, как имеющий общность и представительность для широкого класса ГУ.

Энергетические ГУ вырабатывают электрическую или/и тепловую энергию, при этом установка работает по принципу максимальной выработки энергии, и потребители не накладывают на нее дополнительных требований регулирования мощности. Требования по точности наведения энергетических ГУ ниже, чем для солнечных печей. В частности, требуемая точность слежения за Солнцем турбогенераторных ГУ, гелиостатов башенных ГУ, фотоэлектрических гелиоустановок с концентрацией излучения зависит от многих факторов, в том числе от типа и оптической силы применяемых концентраторов лучистого потока.

В имеющихся исследованиях по электроприводу ГУ рассмотрены вопросы, относящиеся к структуре, динамическим и точностным показателям СЭП солнечных печей [6], [7], [8]; к динамике и системе управления группы гелиостатов [9], [10]; к учету нелинейностей редукторного СЭП и компенсации люфта [6], [8], [11], [12], синтезу оптимальных регуляторов положения для гелиоустановок с концентраторами излучения [13],. В работе [6] уделено внимание улучшению конструкции опорно-поворотного устройства турбогенераторных ГУ и фотоэлектрических ГУ с концентрацией излучения, а также модульной конструкции фотоэлектрических ГУ без концентрации излучения.

В настоящее время получили распространение неподвижные солнечные батареи. В работе [14] поднят вопрос о целесообразности наведения на Солнце фотоэлектрической ГУ без концентрации излучения, и как наиболее рациональный рассматривается пошаговый режим автосопровождения Солнца с использованием релейного СЭП с управлением от датчика рассогласования.

Для энергетических гелиоустановок наиболее важными показателями является КПД преобразования солнечной энергии в электрическую и стоимость.

По вопросу повышения энергетических показателей и снижения электрических потерь в электроприводе имеется много исследований [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22] и другие, но в этих работах не учитываются особенности тихоходных следящих приводов. В работе [23] рассмотрен пошаговый режим слежения в тихоходных СЭП и предложена методика определения энергетической эффективности в результате перехода от непрерывного к пошаговому режиму слежения. Недостатком является ряд принятых допущений и приближений, которые ставят под вопрос корректность сделанных выводов применительно для энергетических гелиоустановок.

В работе [15] рассмотрены варианты оптимизации следящих электроприводов (СЭП) энергетических ГУ, работающих в непрерывном режиме слежения за Солнцем, по энергетическим показателям. Показано, что наиболее целесообразно использовать двигатель постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем напряжения. Проанализированы энергетические показатели различных типов двигателей и потери мощности в зависимости от обобщенных параметров электропривода. Предложены способы снижения колебательности исполнительного вала. В данной работе не рассмотрена возможность исполнения релейного СЭП.

Пробелом во всех исследованиях является отсутствие методики расчета мощности двигателя для ГУ в зависимости от конкретной местности и конкретных размеров фотоприемника. В ряде работ мощность двигателя рассчитывается исходя из ветрового момента, который в свою очередь считается пропорциональным площади приемника и определяется пересчетом экспериментально измеренного ветрового момента, действующего на аналогичные установки, например, радиотелескопы. При этом ветровой момент принимается пропорциональным площади приемника. В настоящей работе показана некорректность данного допущения.

На основании изложенного целью работы является улучшение энергетических показателей, повышение экономичности, надежности и уровня автоматизации энергетических ГУ наземного базирования на основе теоретической и практической разработки их электропривода. Для выполнения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

-выработка требований к СЭП современных энергетических ГУ наземного базирования;

- создание методики анализа энергетической эффективности СЭП энергетических ГУ;

- создание методики расчета мощности СЭП энергетических ГУ с учетом конкретных условий;

- анализ возможностей повышения энергетической эффективности СЭП энергетических ГУ без концентрации излучения;

- разработка и выбор аппаратных средств реализации СЭП энергетических ГУ без концентрации излучения.

В данной работе поставленные задачи решаются в первую очередь для фотоэлектрических гелиоустановок наземного базирования без концентрации излучения. Но полученные результаты могут быть использованы в исследованиях электропривода других типов энергетических гелиоустановок.

7. Основные результаты работы использованы при создании опытных образцов энергетических ГУ с выходной электрической мощностью 200 Вт и 2000 Вт в Московском энергетическом институте, а также в других разработках.

171

Заключение.

В данной диссертации разработана теоретическая база для проектирования электроприводов энергетических ГУ без концентрации излучения, направленная на улучшение энергетических показателей, повышения надежности и уровня автоматизации, и снижения стоимости системы, а также произведена практическая разработка СЭП энергетических ГУ без концентрации лучистого потока.

1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991.208с.

2. Дьяков А.Ф. Состояние и перспективы развития нетрадиционной энергетики в России.// Известия Академии наук: Энергетика, 2002, вып 4. С 13-29.

3. Безруких П.П. Малая и возобновляемая энергетика России сегодня.// Сайт некоммерческой организации «Центр Солнечной Энергии -"Интерсоларцентр"».: http://www.intersolar.ru .

4. Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России.// Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», 2003.: http://esco-ecosys.narod.ru/20035/art09.htm

5. Г.С. Асланян, С.Д. Молодцов. Возобновляемые источники энергии на мировой сцене.//Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», 2003.: http://esco-ecosys.narod.ru/20035/art 07.htm

6. Овсянников Е.М. Исследование и разработка следящего электропривода гелиоустановки. Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 1981, 20с.

7. Костюковский Д.Т. Взаимосвязанный автоматизированный электропривод группы гелиоустановок. Автореферат кандидатской диссертации. — Минск: БПИ, 1987. — 20с.

8. Овсянников Е.М. Безлюфтовые опорно-поворотные устройства для гелиоустановок. //Труды МЭИ, вып. 673.: Издательство МЭИ,2001. С.51-54.

9. Ильинский Н.Ф. Проблема повышения экономичности электроприводов и пути ее решения. // Труды МЭИ, вып 570.:Издательство МЭИ, 1982.

10. Панасюк В.И. Управление электроприводом оптимальное по потерям энергии и ее потреблению. Изв. вузов. Энергетика, 1982, №2, с30-35.

11. Энергосберегающие технические решения в электроприводах. Коллектив авторов/Под ред. Н.Ф. Ильинского. М.: МЭИ, 1985, 64с.

12. Кацевич B.JL, Никольский A.A., Чулин В.И. Оптимизация переходных процессов в двигателе постоянного тока по минимуму нагрева.// Труды МЭИ, вып. 308.: Издательство МЭИ, 1977.

13. Энергосберегающие технические решения в электроприводах. Коллектив авторов / Под ред. Н.Ф. Ильинского.- М.:Моск. энергетич. ин-т,1985, 64с.

14. Терехов В.М., Овсянников Е.М., Гулям Савар. Оптимизация режимов слежения по потерям электроэнергии в тихоходных следящих электроприводах.//Труды МЭИ, вып. 672.Издательство МЭИ, 1995. С.29-34.

15. Жигарев A.A., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектрические приборы.-М.: Высшая школа, 1982.-463с.

16. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. JL: Наука, 1989.-310с.

17. Чопра К.,Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы. Пер. с англ с сокращениями. М.: Мир, 1986. - 435с.

18. Стребков Д.С., Беленев А.Г., Муругов В.П. Использование энергии солнца. М.: «Нива России», 1992. - 48с.

19. Фотопреобразователь на основе кремниевых эпитаксиальных структур п-п+-типа.// Гелиотехника. 1985.№6. с 17.

20. Диаграмма изменения стоимости кремниевых элементов с течением времени. Сайт о солнечной энергетике. http://solar-battery.narod.ru/img/grafikl .gif

21. Солнечная энергетика: Обзор, http://tmn.fio/works/50x/304/d22.htm310 солнечной энергетики в России: Обзор. Сайт компании «Newtel».http://solar.newtel.ru/sunpower.html

22. Телешов В.Г. Организация использования нетрадиционных источников энергии.: Учебное пособие. Чита.: ЧитГУ, 2004. -97с.

23. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России./П.П. Безруких, Ю.Д. Арбузов, Г.А. Борисов и др. СПб.: Наука,2002. 314с.

24. Бушуев. В.В. Новая энергетическая политика России основа развития малой и возобновляемой энергетики. .// Сайт некоммерческой организации «Центр Солнечной Энергии -"Интерсоларцентр"».: http://www.intersolar.ru .

25. Афре П., Бофрон М., Датчики измерительных систем,- М.: Мир, 1995. -419 с.

26. Овсянников Е. М., Агафонов М. С., Разработка фотоэлектрических датчиков рассогласования для электроприводов гелиоустановок, М.: МЭИ, вып. 672, 1997. -с. 107-115.

27. Овсянников Е. М., Датчики рассогласования для следящих электроприборов гелиоустановок. // Привод и управление, 2001. № 1, с. 13-17.

28. А. с. № 119622, Б. № 45, МКИ Р24Л/40, 1985. Датчик слежения гелиоустановки. / Стегний А. И., Пасичный В. В., Терехов В. М., Малов Н. И., Овсянников Е. М. (СССР). 4 е.: ил.

29. А. с. № 1307175, Б. № 16, МКИ Р24Л/38, 1987. Фотодатчик ориентации для гелиоустановки. / Овсянников Е. М., Николаев В. П., Новоселова Н. Г., Прокудо М. С. (СССР). 4 е.: ил.

30. А. с. № 1177600, Б. № 33, МКИ Р2412/40, 1985. Фотодатчик ориентации./ Овсянников Е. М., Николаев В. П., Новоселова Н. Г., Терехов В. М. (СССР).-4 е.: ил.

31. Дубилович В. М., О влиянии перекрестного эффекта на динамические свойства автоматической системы управления гелиостатом. // Гелиотехника, 1986. №4, с. 44-47.

32. Быстродействующие электропривода постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем./ М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М.Остеров и др. -М.: Энергоатомиздат, 1986.-184с.

33. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах.-М.:Энергия, 1965.- 188с.47.0всянников Е.М., Особенности следящих электроприводов гелиоустановок. // Труды МЭИ, вып.400.: Издательство МЭИ, 1979. С.79 -85.

34. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности: Учебное пособие. 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1967.

35. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов.- 2-е изд.: перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат,2001.- 704с.

36. О.Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. 2-е изд. - JL: Энергия, 1973.

37. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. М.:Госстрой России, ГУЛ ЦПП, 2003, с изм.

38. Толстов Г.П. Ряды Фурье. -3-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980.-3 84с.

39. Атмосферная турбулентность и моделирование распределения примесей/ Под ред. Ф.Т.М. Ньистадта и X. Ван Допа. Пер. с англ. под ред. A.M. Яглома. JL: Гидрометеоиздат, 1985.

40. Метеорология и климатология. Учебник. 4-е изд.: перераб. и доп. — М.: Издательство МГУ, 1994.

41. Гарифулин К.К. Изменчивость ветра в свободной атмосфере. -JL: Гидрометеоиздат, 1967.

42. Гандин JI.C. Объективный анализ метеорогических полей. Л.: Гидрометеоиздат, 1967.

43. Решетов В.Д. Изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

44. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. I Сокращенный перевод с английского под ред. Проф. М.М. Колтуна. М: Энергоатомиздат, 1983.-360с.

45. Солнечные фотоэлектрические модули. Сайт холдинга «Анексис». http://www.anexsis.tamb.ru/

46. Фотоэлектрические солнечные модули. Сайт иркутских производителей, http://www.irkutsk.ru/baikalsolar/modules.htm

47. Основные технико-экономические характеристики отечественных солнечных фотоэлектрических модулей, http://home.expert.rii/oborud/01/07-01/data/el-tl.htm

48. Фотоэлектрические солнечные модули. Сайт ООО «Компания JIMB Ветроэнергетика», http://www.ovis.khv.ru/

49. А. с. № 147397, AI. № 51, МКИ 4F24J2/38, 1989. Датчик ориентации гелиоустановки. / Мокейчев E.H., Николаев В.П., Семенцов JI.B., Семушкин Ю.И., Соколов JI.B, Тужилин Э.М., Фишков Д.Г. (СССР). 2 е.: ил.

50. Сайт фирмы «Месстехник НВМ» официального представителя фирмы НВМ в России, http://www.messtechnik.ru/

51. Григовский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. 4-е изд.: перераб. и доп. Д.: Энергия , 1972.

52. Пучкин Б.И. Приклеиваемые тензодатчики сопротивления. M.-JL: Энергия, 1966.

53. Хорна О. Тензометрические мосты. Пер. с чешского Т.Н. Щипанова./ Под ред. д-ра наук Н.П.Раевского.- M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.

54. Эрлер В., Вальтер О. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами. Пер. с нем./ Под редакцией д-ра наук Я.В. Малкова. М.: Мир, 1974.

55. Фолкенберри JI. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ.- М.:Мир,1985.- 572с.