Электроприводы энергетических гелиоустановок без концентрации излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Сорокин, Георгий Александрович

• Сорокин, Георгий Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сорокин, Георгий Александрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электроприводы энергетических гелиоустановок без концентрации излучения»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сорокин, Георгий Александрович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сорокин, Георгий Александрович, 2005 год

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.