IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

  Введение

В настоящее время в связи с тем, что происходит постепенное исчерпание ресурсов основных энергоносителей - нефти и газа, а также ограниченностью перспектив развития гидро- и атомной энергетики, многие страны ведут исследования по расширению использования альтернативных энергоносителей  - возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ).(1)

Энергия солнца и ветра - доступны повсеместно. Но их непостоянство и сильная зависимость от времени года, времени суток и погодных условий сильно осложняют проблему создания энергосистем, обеспечивающих гарантированное энергоснабжение потребителя. Задача осложняется также тем, что график потребления энергии потребителем тоже, как правило, является неравномерным.(2) В этой связи такие установки требуют  использования сетевых накопителей электроэнергии - LI-ion батарей. Сетевые накопители электроэнергии дают возможность «развязать»      производство и потребление электроэнергии.

Наиболее актуально использование ВИЭ для небольших предприятий с переменным графиком нагрузки, как дополнительные генерирующие мощности.

Исходя из изложенного, целью настоящей работы является разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ собственных нужд оздоровительно - развлекательного комплекса  аквапарка.

Данный проект представляет собой гибридную систему электроснабжения. Основным будет питание от сети, остальные элементы будут выполнять вспомогательную функцию по возникающей необходимости.

 

Назначение элементов схемы:

1) Солнечные фотомодули - дополнительный источник энергии, повышает надежность системы

2) Ветрогенератор - производит тем больше энергии, чем выше скорость ветра (от 3 м/с)

3) Гибридный контроллер - передает заряд на аккумуляторы и останавливает систему при избытке энергии

4)  Инвертор - преобразует постоянный ток в переменный

5) Аккумуляторная батарея (Li-ion, Li-Polymer) - запасает электроэнергию и при необходимости вбрасывает ее в сеть.

Энергетическая установка на основе газовой турбины будет дополнена солнечными панелями и  небольшой ветровой фермой - так, чтобы у этих установок было максимальное количество общих узлов и систем. Установка  будет объединить в одном объекте сразу три вида станций: тепловую, солнечную и ветровую.

Расчет структурной схемы и выбор параметров

В данной схеме применяем параллельную работу с централизованной сетью электроснабжения.

Анализ и расчет ВИЭ

Расчет мощности солнечной энергосистемы  с учетом прогнозируемых потребностей.

Номинальная мощность фотоэлектрического модуля (ФЭМ) - 160 Вт, период эксплуатации объекта - с мая по октябрь, коэффициент солнечной инсоляции за май-октябрь - 5(5 часов солнца в день).

Для нашего предприятия потребление электроэнергии в месяц будет равным 310000 КВт/ч.

Из этого получается средняя мощность 430 КВт/ч.

По данным метереологических служб в Челябинской области продолжительность солнечного сияния около 1700 - 2000 час/год.

Определение количества Фото электрических модулей (ФЭМ)

Для начала рассчитываем среднесуточную выработку энергии одним ФЭМ: 160 Вт * 5 = 0,8 КВт*ч. Далее считаем необходимое количество солнечных модулей: 20КВт*ч / 0,8 КВт*ч = 25 модулей. При условии, когда объект будет эксплуатироваться круглогодично, количество солнечных фотомодулей определяется исходя из худших погодных условий, т. е. периода времени с наименьшим сезонным коэффициентом инсоляции. Допустим, что коэффициент солнечной инсоляции за период ноябрь-май равен 4. Тогда среднесуточная выработка энергии одним модулем составит 160 Вт * 4 = 0,64 КВт*ч, тогда необходимое количество ФЭМ равно 20КВт*ч / 0,64 КВт*ч = 31,25~31 модулей 160 Вт.

Выбираем Li-Ion батареи потому, что у них наибольший КПД из АБ.

Еще один элемент гибридной системы - гибридный контроллер. Применение «разумного» контроля не только продлевает срок службы батареи, но и позволяет более эффективно использовать энергию, полученную от солнечного модуля, для ее заряда.

 Последним «звеном» в электростанции является инвертор. Этот элемент преобразует постоянное напряжение, поступающее от АБ, в переменное напряжение, поступающее в электрическую сеть объекта. Мощность инвертора, необходимого для конкретного автономного объекта, определяется как суммарная мощность потребления всех электроприборов, которые в нем находятся

Таблица 1 - Скорость ветра в Челябинской области

Край, область	Средняя скорость ветра, м/с			Повторяемость различных градаций скорости ветра за год, %
	за отопительный период	За три наиболее холодных месяца		<1	2 - 5	>8
Челябинская область	4,8		4,5	32	31	24

 

По причине то, что в России дуют не очень сильные ветра, ветрогенераторы объединим в ветропарк.

После анализа полученных результатов можно судить о том, что с помощью комбинированных солнечно - ветровых энергоустановок можно обеспечивать гарантированное энергоснабжение. 

 

Составляющие схемы резервного электроснабжения

Для покрытия собственных нужд, в качестве дополнительного, резервного электроснабжения выберем необходимые составляющие схемы:

Солнечные батареи                     - 160 Вт, 25 шт;

Ветрогенератор                            -  20 КВт, 5 шт;

Газотурбинная электростанция МПУ, Микротурбина Capstone от 200 -  до 500 КВт   1 шт

Гибридный контроллер ветер - солнце  Simatic, Siemens

Солнечная батарея R2MP - 220, 240 Вт, ES 160 - 25.

Подключение будет в виде гибридной автономной системы: солнце - ветер - газотурбинная электростанция (инверторно - аккумуляторное).

Накопление энергии будут выполнять сетевые накопители энергии (СНЭ) - Li - ion или Li - Polymer аккумуляторы.

Инвертор

Инверторный силовой блок преобразует постоянный ток в трехфазный переменный синусоидальный ток с постоянной амплитудой и стабильной частотой.

Суммарная мощность

Исходя из того, что средняя мощность 430 КВт/ч, примем следующие параметры суммарной мощности наших объектов:

Ветрогенератор 100 КВт;

Солнечная батарея 20 КВт;

Газотурбинная электростанция от 200Квт и выше.

 

Целевые виды использования в нашей электросети сетевых накопителей энергии:

Мгновенная подача электроэнергии на объект в аварийных ситуациях, ограничение пиковых нагрузок, оперативное регулирование частоты, улучшение качества электроэнергии.

1 - здание аквапарка, 2 - здание гостиницы, 3 - здание с системой управления в котором расположены контроллеры, СНЭ - сетевые накопители энергии, инверторы, 4 - стадион и газоны  с размещенными на них ветропарком - группой ветряных электростанций 5 - здание расположения котельной и газотурбинной электростанции 6- строения хозяйственных нужд, 7 - газово-распределительная подстанция

 

Достоинства применяемых составляющих схемы

Микротурбины не требуют больших финансовых и трудовых затрат на проектные, строительные и монтажные работы за счет высокой степени заводской готовности поставляемого оборудования, легкости его монтажа и запуска в работу.

Преимущества Ветрогенератора:

Автономность, безотходность, энергоэффективность, экономическая выгода, экологичность.

Преимущества солнечной энергетики:

 Бесплатное топливо,  никаких движущихся частей, минимальный уход, простая установка, отсутствие шума и вредных выбросов, гарантированное производство энергии, долгий срок службы

Преимущества литий - ионного накопления:

Высокая мощность отдачи, длительный циклический ресурс, низкий саморазряд, устойчивая работа в условиях низких температур, адаптируемость к широкому спектру применений, низкая расчетная стоимость на протяжении полного срока эксплуатации, минимальные требования к техобслуживанию, промышленно выпускаемые аккумуляторы практически не требуют обслуживания и удобны с точки зрения потребления накопленной энергии.

Недостатки применяемых составляющих схемы

 

Недостатки СНЭ

Высокую кратковременную мощность можно получить только при очень большой емкости АБ, что обусловливает большие размеры и массу накопителя, уменьшение емкости АБ в процессе циклов зарядки-разрядки, что ограничивает срок службы, экономическая неэффективность.

Недостаток газотурбинных в количестве пусков.

Недостатки ветрогенераторов:

Непостоянная и нерегулируемая выработка электрической энергии на базе ветрогенераторов, небольшой коэффициент использования установленной мощности, шумовое и электромагнитное воздействие на природу и человека.

Недостаток солнечных панелей - это ухудшение фотоэлектрических элементов солнечных батарей в условиях загрязнения окружающей среды, необходимость устанавливать в местах, не заслонённых от Солнца, работа только в дневное время, расходование много места.

 

Вывод:

Энергетическая установка, состоящая из трех узлов, будет иметь общую систему управления и подключения к энергетической сети, три части станции дополняют друг друга. Но при этом основным питанием будет питание от централизованной сети.

Газотурбинная электростанция может гибко реагировать на перемены в ветре и Солнце, сглаживая колебания в выработке электричества от этих источников. Газотурбинная установка способна будет менять вырабатываемую мощность, сохраняя высокий КПД даже при частичной нагрузке. Отличительные свойства в том, что газотурбинные электростанции можно понижать мощность без существенного вреда для них. По мере необходимости газотурбинная электростанция будет работать на полную мощность.

Данные свойства позволяют предприятию брать меньше электроэнергии из сети, выравнивать напряжение, повышают надежность. Накапливать энергию в период ее низкой стоимости и выдавать электроэнергию в период высокой стоимости.

В нашем проекте наиболее целесообразно использование ветроустановки  суммарной мощностью 100 КВт, Солнечной установки 20 КВт, газотурбинной электростанции от 200 КВт, накопителя энергии от 80000 A×часов, гибридного контроллера Simatic, Siemens  и инвертора от 100 КВт.

При таких параметрах, стоимость электроэнергии вырабатываемой ВИЭ и газотурбинной электростанцией, будет составлять от 0,70 руб/КВт×ч.

Список литературы:

• 1. Альтернативные энергоносители / М.В. Голицын, А.М. Голицын, Н.В. Пронина- М.: Наука, 2004. - 159 с.
• 2. Комбинированные энергоустановки на основе ВИЭ. Статья О.Поппель.
• 3. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Расчет энергетических показателей.В.Т. Тайсаева, Л.Р. Мазаев - Улан-Удэ, БГСХА, 2002. - 107 с..
• 4. Возобновляемые источники энергии Дж. Твайделл, А. Уэйр. (Пер. с англ.). - М., Энергоатомиздат, 1990.
• 5. Оценка масштабов использования возобновляемых источников в электроэнергетике России на период до 2015 годаТарнижевскийБ.В., РезниковскийА.Ш. // Изв. РАН. Энергетика. 1997. №4. С.65-72.
• 6. Возобновляемые энергоисточники для автономного энергоснабжения Осадчий Энергетик. 2002. №4 с.23.
• 7. Нетрадиционная энергетика Дьяков Энергетик. 2002. №8. с. 4.
• 8. Перспективы комплексного использования ветроэлектростанций с другими энергоисточниками. Апполонов, Миклашевич, Стоцкий. Энергетик. 1997. №2 с.14
• 9. Научная база для проектирования электрической части альтернативных источников энергии. Энергетик. №8. с. 20.
• 10. Потенциальные возможности вовлечения возобновляемых природных ресурсов в топливно-энергетический баланс Иркутской области. КошелевА.А., ШведовА.П. Иркутск: Изд. ИСЭМ, 1998. -64с.
• 11. Накопители энергии в электрических системах. АстаховЮ.Н., ВениковВ.А., Тер-ГазарянА.Г. М.: Высшая школа, 1989.- 159с.
• 12. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Знание, 1982. - 120 с.
• 13. Возобновляемая энергетика сегодня и завтра. Михайлов С. ТЭК сегодня. - № 11. - 2009. - С. 9-10.
• 14. Черевко С. И. Технологии для альтернативной энергетики. ТЭК сегодня. - № 11. - 2009. - С. 9-10.
• 15. Нетрадиционные способы получения электрической энергии. Управление ресурсами. - № 7. - 2009. - С. 23-28.
• 16. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Минэнерго СССР. - М., Энергоатомиздат, 1985
• 17. ГОСТ 12.1.019 - 79. ССБТ Электробезопасность. Общие тре­бования.
• 18. ГОСТ 12.1.019 - 79. ССБТ Электробезопасность. Общие тре­бования.
• 19. ГОСТ 12.2. 007.12 - 75. ССБТ. Источники тока химические. Требования безопасности.
• 20. Справочник по климату СССР. Вып. 13. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. - Л., Метеорология, 1976.
• 21. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; Под ред. Д. А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.: ил.
• 22. Гибридные инверторы - контроллеры фирмы Benning http://www.benning.de/
• 23. Гибридные контроллеры Siemens, Программируемые контроллеры S7-300 www.elsnab.ru

Код для цитирования: Скопировать