автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка и исследование автономной системы электроснабжения сельского дома

!

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(ГНУВИЭСХ)

На правах рукописи

ей.01 -1 8 5 542 •

ГУСАРОВ Валентин Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ДОМА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Заддэ В.В

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

ГЛАВА 1

ОБЗОР СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ......8

1.1 Состояние электроснабжения сельского хозяйства России.........................8

1.2. Автономное электроснабжение маломощных потребителей...................12

1.3 Характеристики машинных преобразователей энергии............................13

1.4 Пути повышения коэффициента использования топлива в ДВС.................18

1.5 Использование возобновляемых источников энергии в автономных системах гарантированного электроснабжения.........................................................22

1.6 Направления использования солнечной энергии....................................23

1.7 Состояние и развитие ветроэнергетики................................................29

1.8 Цель и задачи диссертации................................................................36

Выводы............................................................................................38

ГЛАВА 2

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ..........................................................39

2.1 Принципы оптимизации параметров лопасти ветроколеса ветроагрегатов малой мощности...................................................................................40

2.2 Принцип выбора ВЭУ по расчётной мощности.......................................53

2.3 Коррекция параметров лопастей ветроколеса УВЭ-500 с целью увеличения выработки..........................................................................................58

2.4 Расчёт профиля лопасти...................................................................62

2.5 Исследования возможности применения асинхронного двигателя в качестве

генератора ветроагрегата.......................................................................64

Выводы............................................................................................71

ГЛАВА 3

РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ДОМА...................................................................................72

3.1 Постановка задач............................................................................72

2

3.2 Анализ графиков нагрузки для поликомплектного источника.....................75 ;

(

3.3 Структура поликомплектного источника и его обоснование....................79

3.4 Экспериментальные показатели ветроагрегата.......................................83

3.5 Геометрия солнечных батарей и её обоснование....................................84

3.6 Разработка автономной ветро-солнечной энергоустановки с дизельным резервом.............................................................................................88

I

3.7 Разработка автоматической системы автономного электроснабжения.........89

3.8 Анализ качества генерируемой электроэнергии в системе бесперебойного питания...............................................................................................113 1

3.9 Анализ экономических показателей автоматической системы автономного

электроснабжения................................................................................117 '

Выводы...........................................................................................123

I

ГЛАВА 4

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ......................................................................125

4.1 Основные положения и принципы оценки эффективности автономной системы электроснабжения..........................................................................125

4.2 Экономическое окружение проекта...................................................126

4.3 Анализ экономической эффективности поликомплектного источника........129

Выводы...........................................................................................136

Общие выводы..................................................................................137

Литература.......................................................................................138

Приложения......................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемая энергетика в настоящее время уверенно приобретает реальную значимость. Для того чтобы в ближайшей перспективе она получила широкое развитие, предстоит осуществить методологическую и концептуальную оценку существующих методов использования возобновляемых ресурсов и усилить инновационную составляющую исследований нетрадиционных источников энергии [1].

Значительные потери электроэнергии и низкая надёжность энергоснабжения при использовании автономных источников в сельском хозяйстве России связаны с тем, что ветрогенераторы, солнечные батареи, жидкотопливные электростанции (ЖТЭ) не всегда полно используют свой потенциал. Потери могут составлять до 50% вырабатываемой электроэнергии. Снижение собственных затрат энергии и получение максимальной отдачи от комплекта энергетического оборудования достигается за счёт применения гибридных систем и контроля за процессами выработки энергии. Раздельное использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и ЖТЭ в большинстве случаев нецелесообразно. Поэтому нередко ВИЭ используют совместно с ЖТЭ, организуя на их основе гарантированное электроснабжение. Несовместимость энергетических потенциалов и мощности преобразователей ВИЭ в электроэнергию с графиком нагрузки требует решения задачи управления потоками энергии в источнике с учётом требований эргономики для сельскохозяйственных потребителей.

Целью работы является:

Разработка и создание поликомплектного источника гарантированного электроснабжения (ПИГЭ) для сельского жилого дома при эффективном использовании возобновляемых источников энергии. В соответствии с данной целью ставятся и решаются следующие задачи:

1. Оптимизация геометрии лопастей ветроколеса ВЭС по максимальному коэффициенту использования энергии ветра

2. Поиск новых технических решений, позволяющих снизить потери энергии на её преобразование в асинхронных генераторах ВЭУ.

3. Формирование алгоритма оптимального управления потоками энергии с учётом графиков нагрузки.

4. Разработка схемных и конструктивных решений для снижения потерь электроэнергии и реализация разработанного алгоритма управления.

5. Разработка программы числового управления для процессора в соответствии с алгоритмом управления.

6. Создания автономного поликомплектного источника, содержащего несколько разнотиповых преобразователей ВИЭ (поликомплектных источников) гарантированного электроснабжения (ПИГЭ) для удовлетворения нужд сельскохозяйственных потребителей.

Диссертационная работа посвящена решению указанных задач применительно к ПИГЭ мощностью до 10 кВт.

Положения, выносимые на защиту

В районах без централизованных сетей целесообразно использование поликомплектных источников гарантированного электроснабжения состоящих из преобразователей ВИЭ и резервного источника энергии, в качестве которого применяется дизельный электрогенератор.

Методика расчёта лопасти по принципу единого шага и коррекция профиля лопасти по наименьшему лобовому сопротивлению, позволяет определить эффективность ветроколеса.

Применение в качестве генераторов ВЭС асинхронного электродвигателя с блоком параллельной работы, позволяет существенно снизить стоимость ветро-электростанции и повысить её надёжность.

Для оптимального управления потоками энергии при работе комплексных источников целесообразно использование сетевых графиков.

Научная новизна. По результатам выполненной диссертационной работы получены следующие результаты:

- предложен и защищен двумя патентами новый способ автоматического управления источником бесперебойного электроснабжения потребителей, позволяющий оптимизировать распределение потоков энергии;

- разработан и защищён патентом новый способ преобразования постоянного тока в переменный, позволяющий упростить устройство управления силовым трактом;

- разработан, защищён патентом и теоретически обоснован новый способ применения асинхронного электродвигателя в качестве генератора ВЭС с устранением перегрузки при его работе в автономном режиме или параллельно с другим источником, что позволит существенно снизить электрические потери;

- разработана новая, не применяемая ранее в автономном электроснабжении, система коррекции мощности нагрузки при работе дизельной электрической станции, позволяющая оптимально распределять потоки энергии между нагрузкой и зарядным устройством ДЭС.

- обоснована и теоретически подтверждена необходимость организации совместной работы комплектных источников в ПИГЭ по предложенной структуре.

- разработана новая методика расчёта переменной крутки лопастей ВЭС по всей длине, которая позволит обеспечить наибольший коэффициент использования энергии ветра, для ветроколёс малого диаметра;

- разработана новая методика коррекции известных профилей для проектирования лопастей с улучшенным аэродинамическим качеством, связанным с уменьшением лобового сопротивление, для ветроколёс малого диаметра;

- разработана новая система коррекции мощности нагрузки при работе дизельной электрической станции (ДЭС).

- на основе сетевых графиков разработан алгоритм управления ПИГЭ с учётом оптимального распределения нагрузки между комплектными источниками

и накопителем энергии.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

- разработан новый алгоритм работы инвертора, позволяющий снизить собственное энергопотребление;

- разработанная методика расчёта переменной крутки и профиля лопасти и передана в ЗАО НИЦ «ВИНДЭК» с целью проектирования и серийного изготовления лопастей на её основе;

- освоено мелкосерийное производство ПИГЭ с системой автоматического контроля за потоками энергии;

- разработан алгоритм системы управления автономным источником энергоснабжения на основе сетевых графиков;

- на разработанный и изготовленный блок бесперебойного питания получен сертификат соответствия органа по сертификации промышленной продукции "Ростест-Москва".

Материалы диссертации были использованы в научных отчётах отделов «Комплексных исследований систем с нетрадиционными источниками энергии» в

2007 и 2008 гг., «Возобновляемых источников энергии» 2009 и 2010 гг. ГНУ ВИЭСХ.

Основные положения диссертационной работы были апробированы на У1П Международном Симпозиуме молодых учёных аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: Проблемы и перспективы» в 2004 г, (г. Москва); Пятой и Шестой Международной научно-технической конференции» Энергообеспечение и Энергосбережение в сельском хозяйстве» в 2006 и

2008 гг. (Москва, ГНУ ВИЭСХ); конференции в рамках выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» в 2007 г. (г. Москва, ВВЦ).

ГЛАВА 1

ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

1.1 Состояние энергоснабжения сельского хозяйства в России.

Начиная с 1990 г., произошли значительные изменения в темпах и характере электрификации сельского хозяйства и села России. Существенно сократился спрос на электроэнергию. Это произошло из-за снижения сельскохозяйственного производства. В 1990-е годы и в начале 2000-х снижение производства сельскохозяйственной продукции сопровождалось значительным снижением энергопотребления, о чем свидетельствуют показатели, приведенные в таблице 1.1 [2].

Таблица 1.1

Показатели энергопотребления, структура энергоносителей в сельском хозяйстве

в 1990 - 2007 гг., (млн. т у. т.)

Показатели энергопотребления Годы

1990 2005 2007

1. Суммарное энергопотребление: 121,3 66,5 68,5

в том числе:

- в производстве 70,5 22,5 23,0

- в быту, сфере услуг и ЛПХ 50,8 44,0 45,5

2. Структура энергоносителей:

- твердое топливо (уголь, торф, дрова) 45,3 21,0 19,5

- жидкое топливо 48,1 14,0 14,8

- газ 15,7 23,4 25,0

- электроэнергия (млрд. кВт-ч/млн. т у. т.) 96,4/11,5 55,4/6,8 60,45/7,4

- возобновляемые источники 0,1 0,5 0,6

3. нетрадиционные источники энергии

в том числе: 0,7 1,3 1,8

- биомасса, местные энергоресурсы,

отходы 0,6 0,8

1,2

В сельхозпроизводстве потребление топливно-энергетических ресурсов

(ТЭП) к 2005 году сократилось почти в два раза (всего на селе оно снизилось бо-

8

лее чем на 40%) и составляет в настоящий момент 1,8 т. у. т. /чел. Потребление электрической энергии за этот период упало с 103 млрд.кВт-ч до 60 и в настоящий момент составляет 1000 кВт-ч в расчёте на одного жителя. В то же время в быту, приусадебном хозяйстве и социальной сфере электропотребление увеличилось с 30 до 44,0 млрд.кВт-ч, это увеличение объясняется смещением реальных объемов производства сельхозпродукции с общественного в частный сектор (крестьянские и личные хозяйства), а также широким использованием электрифицированной техники и бытовых приборов. В быту в сельской местности на 1 человека потребляется около 1000 кВт-ч электроэнергии в год — это меньше, чем в городе, а должно быть наоборот.

Причиной уменьшения расхода энергоресурсов явилось снижение объемов производимой продукции, размеров пашни и посевных площадей.

Удельные показатели расхода энергоресурсов на единицу площади земельных угодий имеют такую же тенденцию изменения, что и общий их расход: значительное уменьшение с 1990 по 2000г. и их дальнейшая стабилизация расхода в 2001-2005 гг.

Рост цен на топливо и энергию вынуждает товаропроизводителей более экономно расходовать энергоресурсы.,

В стоимостном выражении расход нефтепродуктов постоянно возрастает: в 2000 г. он составлял 36,5 млрд.руб. а в 2006 г. вырос до 67,3 млрд.руб., расход на единицу продукции одинаков.

Стоимость затраченной электроэнергии с 2000 г. по 2006 г. возросла с 7,6 млрд.руб. до 18,8 млрд.руб., хотя общее ее потребление снизилось. В последнее время, при опережающем росте тарифов и цен на электроэнергию и топливо, по сравнению с ценами на сельхозпродукцию доля энергозатрат в ее себестоимости резко возросла (с 3% до 40%), (теплицы, птицефабрики) [3].

Электрификация и энергетика сельского хозяйства имеют ряд специфических особенностей: рассредоточенность сельских потребителей, их малая единичная мощность, большая протяженность коммуникаций, низкая территориальная

плотность жителей, где ведется сельскохозяйственное производство, и где не имеется централизованного энергоснабжения.

Современное состояние сетей в сельской местности характеризуется их старением и значительным снижением технико-экономических показателей, т.к. за последние 10-15 лет сети практически не обновлялись; и сейчас более 30% воздушных линий (650 тыс.км) и 150 тыс. трансформаторных подстанций отработали свой срок и их дальнейшая эксплуатация небезопасна [4]. Следствием изложенного стало значительное снижение надежности и качества энергоснабжения, резко возросло число и продолжительность отключений электроэнергии и тепла по различным причинам: из-за старения и аварийного состояния значительной части сельских электрических и тепловых сетей, несвоевременной оплаты за потребляемую энергию, отсутствия или разрушения систем и установок резервного энергоснабжения, снижения уровня обслуживания энергоустановок. Следует отметить, что число и продолжительность перерывов в электроснабжении в России на порядок выше, чем за рубежом.

Ранее всегда считали экономически выгодным и технически эффективным создавать централизованные системы энергоснабжения мощностью более 1 МВт, а не местные автономные системы небольшой мощности. Стоимость строительства ЛЭП (для условий России) колеблется в пределах от 350000 до 750.000 рублей/км и зависит от конструкции ЛЭП и условий прокладки трассы [5,6,7]. За последнее время в России и США участились случаи нарушений управления крупными сетями электроснабжения. В условиях наблюдаемого увеличения масштабов энергетических систем, усложнения структуры и связей, становится всё труднее обеспечивать устойчивое функционирование больших систем энергетики. Опыт последних лет обнажил недостатки централизованных систем, которые при передаче электроэнергии и теплоты сопровождаются 30% потерями мощности. Кроме того, стихийные бедствия и террористические акты ежегодно выводят из строя высоковольтные линии электропередачи.

Огромное число обширных областей России (около 70% территории), где подавляющая доля населения живёт в сравнительно мелких поселениях, далеко

10

стоящих друг от друга, не присоединено к системам централизованного энергоснабжения [8,9,10]. В связи с этим, потребители в России и за рубежом стараются создать независимую от внешних обстоятельств автономную систему энергоснабжения. С появлением газового топлива и совершенствованием энергетического оборудования экономически выгодным становится создание автономных систем энергоснабжения для жилых и производственных зданий и сельскохозяйственных производств. В России и за рубежом появились здания с автономной системой энергоснабжения, размещаемой на крыше этого здания, куда поступает только газовое топливо и вода. Опыт эксплуатации подтвердил их высокую эффективность [10]. По