авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Азово-черноморская государственная агроинженерная академия

На правах рукописи

Воронин Сергей Михайлович

формирование автономных систем

электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии

05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование для сельского

хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Зерноград – 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государственная академия" (ФГОУ ВПО АЧГАА)

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор

Амерханов Роберт Александрович

доктор технических наук, профессор

Никитенко Геннадий Владимирович

Ведущая организация Государственное научное учреждение

"Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится "20" марта 2009г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21, в зале заседания диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия"

Автореферат разослан "___" _____________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Н.И.Шабанов

Общая характеристика работы

Актуальность темы и решаемая научная проблема. В настоящий период аграрный сектор России является многоукладным хозяйством, когда наряду с коллективными производителями сельскохозяйственной продукции существуют и частные производители – фермерские и крестьянские хозяйства. Например, в Южном Федеральном округе России (ЮФО) свыше 900 фермерских хозяйств удалено от централизованной системы электроснабжения более чем на 7 км, свыше 3,5 тысяч хозяйств удалены на расстояние 2 – 7 км. Для удаленных от ЛЭП хозяйств автономное электроснабжение является наиболее приемлемым вариантом. Автономные потребители электроэнергии имеются и в крупных коллективных хозяйствах, это овцеводческие точки, домики рыбака и т.п.

Традиционное применение для автономного электроснабжения передвижных топливных электростанций сопряжено с проблемой использования ископаемого углеводородного топлива, а именно с постоянным и интенсивным ростом цен на нефтепродукты и газ, и с негативным экологическим воздействием. В этой связи, актуальными становятся исследования по изысканию альтернатив традиционному топливу.

Альтернативным вариантом могут стать возобновляемые источники энергии (ВИЭ), особенно энергия солнечного излучения и ветра, которые имеют место на всей территории России с интенсивным сельхозпроизводством. Однако нерегулярность поступления энергии от этих источников и ее низкая плотность создают значительные трудности в их применении. Практически это проявляется в высокой стоимости производимой электроэнергии и низкой надежности ее поставки потребителю. Устранить эти препятствия путем совершенствования преобразователей ВИЭ не удается, так как это сопровождается таким ростом их стоимости, что проблема экономичности автономных солнечных электростанций еще более обостряется.



Значительного снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии можно достичь путем оптимизации состава и параметров автономных систем электроснабжения. Кроме того, такое направление требует минимальных инвестиций и не ограничивает НИР и ОКР по совершенствованию преобразователей энергии. К сожалению, известные методы совершенствования систем электроснабжения на основе ВИЭ (включая и централизованные системы) не обеспечивают оптимальных результатов. Основной причиной является то, что повышения конкурентоспособности добивались путем увеличения эффективности отдельных элементов, без учета их связей с системой в целом. Реально и существенно повысить эффективность автономных электростанций на ВИЭ, можно только рассматривая их как изолированные системы, нерегулярно получающие энергию солнечного излучения или ветра, эффективно преобразовывая ее в электроэнергию, и поставляя потребителю в соответствии с его потребностями.

Таким образом, разработка методов формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ, с учетом изолированности от других источников энергии, является важной научной проблемой, требующей проведения глубоких исследований и получения новых методологических положений. Кроме того, современное отечественное сельское хозяйство с его многочисленными автономными потребителями электроэнергии, имеет весьма значительные перспективы использования ВИЭ, что в свою очередь создает реальные предпосылки для более быстрого освоения возобновляемых источников энергии и выполнения многих международных обязательств России, в том числе и по Киотскому Протоколу.

На основании изложенного, сформулирована решаемая научная проблема – разработка общей методологии формирования автономных систем электроснабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра, и методов обоснования и оптимизации их параметров, обеспечивающих заданную потребителем (предположительно высокую) надежность поставки электроэнергии при минимальной ее стоимости.

Научные исследования проводились в рамках Научно-технических программ фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996 – 2000г.г., на 2001 – 2005г.г. и на 2006 – 2010г.г.

Цель исследований – научное обоснование общей методологии и методов оптимального формирования автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе энергии солнечного излучения и ветра, обеспечивающих их эффективное использование с учетом изолированности системы.

Объект научных исследований – автономные системы электроснабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра.

Предмет научных исследований – закономерности формирования автономных систем электроснабжения с учетом характеристик возобновляемых источников энергии и автономных потребителей электроэнергии.

Научная новизна исследований включает:

  • правило приведения случайных величин, и методика ускоренного получения статистических параметров графика нагрузки, основанная на этом правиле, позволяющая получать типичные графики потребления электроэнергии автономными сельскохозяйственными объектами.
  • параметры функций распределения ветровых и штилевых периодов, позволяющие определять продолжительность чередующихся периодов работы ветроустановки и аккумуляторов.
  • доказательства ошибочности рекомендаций по оптимальной ориентации фиксированных солнечных приемников строго на юг в северном полушарии и разработанная методика оптимизации параметров ориентации, позволяющая увеличить поступление энергии солнечного излучения за год не менее чем на 7%.
  • установленные на основе экспериментальных и теоретических исследований закономерности влияния концентраторов и систем слежения на энергетические характеристики ФЭП, позволяющие задавать эффективные режимы работы в зависимости от интенсивности солнечного излучения и угла рассогласования.
  • общая методология формирования систем автономного электроснабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра, и методы обоснования и оптимизации параметров этих систем, учитывающие нерегулярность ВИЭ и случайный характер потребления электроэнергии.

Практическую значимость диссертации составляют:

  • типичные графики нагрузки фермерских хозяйств и других сельскохозяйственных объектов на территории ЮФО, позволяющие значительно сократить время сбора статистической информации.
  • статистические характеристики энергии солнечного излучения и ветра на территории ЮФО, позволяющие уточнить параметры соответствующих систем автономного электроснабжения.
  • перспективные варианты автономных ветроэлектростанций на основе роторных ветроустановок, и солнечных электростанций на основе фотоэлектрических преобразователей с концентраторами и следящими системами, защищенные патентами Российской Федерации, и повышающие эффективность использования энергии ветра и солнечного излучения.
  • зональные агротехнические требования на ветроэнергетические установки для условий Ростовской области, позволяющие уменьшить затраты на проектирование конкурентоспособных систем электроснабжения.
  • рекомендации по использованию возобновляемых источников энергии, позволяющие формировать конкурентоспособные системы автономного электроснабжения и эффективно их использовать.

Апробация научных результатов – основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях АЧГАА, ВНИПТИМЭСХ, КубГАУ, СтГАУ, на международной школе-конференции, проводимой Российской академией электротехнических наук, на 6-й Международной научно-технической конференции ВИЭСХ.

Основные положения диссертации опубликованы в 35 трудах, в том числе 10 в изданиях, рекомендуемых ВАК. По результатам диссертации издано две монографии и два учебных пособия. Публикации и издания по диссертации составляют 43 печатных листа, в том числе 38 авторских печатных листов.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии и приложений. Изложена на 279 страницах, содержит 117 рисунков, 27 таблиц. Библиографический список включает 247 наименований, в том числе 11 на иностранном языке.

Содержание работы

Во введении сформулирована проблема, цель и приведены основные положения диссертации.

В главе 1 «Современное состояние электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей» проанализированы сельскохозяйственные объекты, требующие автономного электроснабжения. Типичными представителями таких объектов являются фермерские хозяйства, занимающиеся растениеводством. Фермерские хозяйства исторически получали сельскохозяйственные угодья вокруг брошенных хуторов, линии электропередач к которым были демонтированы или разворованы.

В связи с отсутствием сетевого электроснабжения фермеры в своей производственной деятельности опирались на машинотракторный парк и сельхозмашины. Мощные потребители электроэнергии не применялись, а для хранения и переработки растениеводческой продукции использовались элеваторы или арендованные в крупных хозяйствах крытые тока. Это привело к тому, что нагрузка имела производственно-бытовой характер с установленной мощностью до 10 кВт и среднесуточной часовой нагрузкой 0,1 – 1,5 кВт. Данная ситуация сохраняется и в настоящее время.

Таким образом, при удалении от энергосистемы на несколько километров, сетевое электроснабжения становилось экономически невыгодным из-за высоких затрат на строительство. Автономное электроснабжение на основе топливных электростанций в настоящее время также требует изыскания альтернативных вариантов. Альтернативой углеводородному топливу могут стать ВИЭ (солнечное излучение и ветер).

В бывшем СССР пик исследований в области ветроэнергетики приходится на середину прошлого столетия. Преимущественным направлением было создание мощных ветроэлектростанций, способных работать в параллели с центральной системой электроснабжения. Ведущая роль принадлежала российским ученым В.П.Ветчинкину, Н.Е.Жуковскому, Г.Х.Сабинину. Далее, с развитием централизованного электроснабжения, исследования в области ветроэнергетики были значительно сокращены, однако получили импульс исследования фотоэлектричества.





Предпосылкой к исследованию фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является освоение космоса, хотя рассматривались и их земные применения, в частности в сельском хозяйстве. Ведущим ученым в направлении совершенствования ФЭП является академик, нобелевский лауреат Ж.И.Алферов. В сельском хозяйстве авангардная роль в освоении ВИЭ принадлежит ВИЭСХ. Талантливый руководитель этого института, академик РАСХН Д.С.Стребков сумел сохранить научный потенциал, накопленный к концу прошлого столетия, и продолжить исследования в области ВИЭ. При этом ему удалось объединить усилия многих НИИ и вузов не только России, но и СНГ, и стран Прибалтики.

Отличительной особенностью современных исследований ВИЭ является их применение в автономном режиме. Однако единых методов формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ нет, что не позволяет значительно увеличить их конкурентоспособность. На основании этого в настоящей работе была сделана попытка разработки методов, которые позволят формировать эффективные автономные системы электроснабжения на основе ветроустановок и солнечных электростанций на ФЭП. Для достижения поставленной цели впервые автономные системы электроснабжения рассматривались, как изолированные системы, нерегулярно получающие энергию, преобразующие ее в электроэнергию, и поставляющие потребителю в соответствии с его потребностями. В ходе исследований были поставлены и решены следующие научные задачи.

1. Провести системный анализ объекта исследований, выявить закономерности поступления и потребления энергии, и исследовать процессы преобразования энергии возобновляемых источников в электроэнергию.

2. Обосновать целевые функции для автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии и их различных комбинаций, в том числе и с традиционными источниками энергии, и разработать общую методологию формирования автономных систем электроснабжения и методы оптимизации их параметров.

3. Разработать перспективные варианты автономных ветроэлектростанций, солнечных электростанций и систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

4. Разработать инженерные методы формирования систем электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей на основе возобновляемых источников энергии.

5. Определить условия экономически эффективного применения разработанных систем электроснабжения и дать рекомендации по их использованию.

Методологической основой настоящих исследований стали известные работы Ж.И.Алферова, Д.С.Стребкова, И.Ф.Бородина, Р.А.Амерханова, В.Н.Андрианова, П.П.Безруких, М.А.Таранова, В.П.Харитонова, Я.И.Шефтер, О.В.Григораш, Г.В.Никитенко, В.Н.Гурницкого.

В главе 2 «Общая методика исследований» выбрано направление и приведена общая методика исследований. Учитывая, что автономные электростанции на основе возобновляемых источников энергии обладают всеми признаками сложной технической системы, основным методом настоящих исследований является системный анализ. При этом применялись теория вероятностей и математическая статистика, теория оптических систем, теоретические основы динамики, методы технической физики (динамика, термодинамика), методы дифференциального анализа, методы теории подобия.

В главе 3 «Система автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии» проведен системный анализ автономных электростанций на ВИЭ. В автономной системе электроснабжения на ВИЭ (рисунок 1) связь с источниками и потребителями энергии учтена в виде возмущающих воздействий, к которым отнесены: F1 – фактическая интенсивность возобновляемых источников энергии, F2 – мощность передаваемая преобразователем энергии возобновляемого источника, F3, F4 – мощность нагрузки переменного и постоянного тока.

1 – преобразователи ВИЭ, 2 – резервная электростанция, 3 – коммутатор, 4 – инвертор, 5 – потребители электроэнергии переменного тока, 6 – аккумуляторная батарея, 7 – потребители электроэнергии постоянного тока, F – возмущающие воздействия.

Рисунок 1– Система автономного электроснабжения

Для серийного освоения автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ необходимо иметь усредненные или типичные графики нагрузки.

В справочной литературе приводятся данные о параметрах распределения потребляемой мощности сельской усадьбы, которая является эквивалентом усадьбы фермерского хозяйства. Однако графиков нагрузки в литературных источниках не обнаружено. Для получения типичных графиков нагрузки без увеличения времени эксперимента и без увеличения числа экспертов, было сформулировано и применено правило приведения одной случайной величины к другой, которое звучит следующим образом. Чтобы случайную величину Х привести к случайной величине Y, имеющей такой же закон распределения, но другие статистические параметры распределения, необходимо фактически наблюдаемые значения хj изменить по формуле (1), предварительно вычислив коэффициенты приведения по формулам (2).

xПj = a0 + a1xj, (1)

, , (2)

где: xПj – приведенное j-тое значение случайной величины Х, а0, а1 – коэффициенты приведения.

По сути, коэффициенты приведения являются коэффициентами уравнения регрессии первой степени при коэффициенте корреляции r = 1.

В соответствии с разработанной методикой путем опроса экспертов были получены типичные графики нагрузки автономных сельскохозяйственных объектов, приведенные к статистическим параметрам РУМ-10.

Входящие в систему потоки энергии (солнечное излучение и ветер) описываются метеорологическими данными, которые приводятся в специальных справочниках. Однако эти данные являются усредненными, и их применение может привести к ошибочным результатам. В этой связи были исследованы случайные характеристики солнечного излучения и ветра.

Так как солнечное излучение является случайной величиной, то более корректно использовать доверительный интервал его интенсивности, то есть применять для расчетов солнечных электростанций интенсивность солнечного излучения, гарантированную с заранее заданной вероятностью. Такая вероятность интенсивности солнечного излучения соответствует вероятности попадания случайной величины в заданный интервал. Учитывая, что интенсивность солнечного излучения в любой промежуток времени изменяется по нормальному закону, а в метеорологических справочниках приводится математическое ожидание этой величины, были получены графики гарантированной интенсивности солнечного излучения (рисунок 2).


1 – вероятность 0,9,

2 – вероятность 0,5.

Рисунок – 2. Графики гарантированного солнечного излучения



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.