Обоснование параметров системы солнечного энерговодоснабжения индивидуальных потребителей: Для условий Мексики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Кортес, Лилиана

• Кортес, Лилиана
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кортес, Лилиана

4 Введение.

Глава 1. Современное состояние и перспективы развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии в

Мексике.

1.1. Особенности развития возобновляемой энергетики в Мексике.

1.2. Применение преобразователей солнечной энергии.

1.3. Ресурсы солнечной энергии в Мексике на основании данных наблюдений.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Расчет и моделирование прихода солнечной радиации на территорию Мексики.

2.1. Определение интенсивности солнечной радиации в условиях неполноты исходной информации.

2.2. Обработка метеорологических данных солнечной радиации.

2.2.1. Оценка среднемесячной прямой и диффузной компонентов по измеренной среднемесячной суммарной солнечной радиации.

2.2.2. Оценка прямой и диффузной компонентов солнечной радиации по измеренной суточной суммарной солнечной радиации.

2.2.3. Определение часовых компонентов солнечной радиации на основе данных суточных компонентов.

2.2.4. Расчет потока солнечной радиации на наклонную поверхность.

2.3. Оптимизация угла наклона солнечного преобразователя.

Глава 3. Методические принципы отбора мощности от солнечной батареи. ^

3.1. Моделирование режима работы солнечного преобразователя для автономного потребителя.

3.1.1. Модель солнечного электрического модуля.

3.1.2. Режим работы солнечных батарей.

3.2. Анализ автономного потребителя. щ 3.3. Обоснование выбора системы аккумулирования.

3.3.1. Выбор емкости АБ.

3.3.2. Создание математической модели состояния АБ.

3.3.3. Анализ совместной работы СБ-АБ.

Глава 4. Исследование характеристик и взаимосвязей элементов в системе энерго- и водоснабжения потребителя.

4.1. Моделирование приводного двигателя насоса.

4.2. Моделирование насосного агрегата.

4.3. Совместная работа системы «солнечная батарея - двигатель - насос-аккумуляторная батарея».

4.4. Исследование режима работы насоса в турбинном режиме. щ 4.5. Выбор инвертора.

Глава 5. Разработка автономной индивидуальной системы электроводоснабжения для условий Центральной Мексики.

5.1. Варианты технических решений системы электро- и водоснабжения.

5.2. Исследование режимов работы СЭВ.

5.3. Технико-экономическое обоснование выбора схемы СЭВ.

5.4. Разработка алгоритма управления комплексом электроводоснабжения.

5.4.1. Разработка алгоритма диагностики состояния АБ.

5.4.2. Разработка алгоритма обеспечения максимального отбора мощности от СБ.

5.4.3. Разработка алгоритма управления насосом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров системы солнечного энерговодоснабжения индивидуальных потребителей: Для условий Мексики»

Энергетика является одной из основ развития экономики современного общества. Количество энергии, производимой на душу населения, служит мерой индустриального развития, экономического роста и технического прогресса конкретного государства.

Энергетическая проблема - одна из важнейших мировых проблем современности и затрагивает самым непосредственным образом развивающиеся страны Латинской Америки, Азии и Африки. Недостаточность производства электроэнергии, ее дороговизна сдерживают не только создание промышленности и перерабатывающих отраслей в сельском хозяйстве этих стран, но и развитие в целом. В Мексике 20% населения, в основном сельских районов не имеет электроснабжения, дефицит представляет 36 ТВтч в год. Предполагается, что к 2020 г. процент населения без обеспечения электроэнергией останется прежним, по причине того, что выработка электроэнергии растет с темпом демографического роста.

Освоению и использованию новых видов энергии, в частности солнечной, в настоящее время во всем мире уделяется большое внимание. В последние годы, интерес к развитию технологий, которые позволят использовать новые источники энергии, постоянно растёт. Повышение цен на нефть, начиная с 1970-х годов, проблемы экологии, способствуют формированию нового типа мышления в отношении проблемы энергетики. Учитывая, что запасы органического топлива исчерпаемы, существует необходимость перехода к экономике, которая в основу своей энергетики положит использование новых нетрадиционных источников энергии. К ним относятся: солнечная радиация, ветер, биомасса, геотермальная энергия, приливы и волны, энергия разности температур, разности концентраций солей в водоёмах и другие.

В Мексике, несмотря на то, что есть большие запасы нефти и газа, в связи с повышением потребления электроэнергии и стремлением к технологической независимости, уделяется большое внимание развитию и внедрению нетрадиционных источников энергии. Так, по отчётам Министерства Энергетики Мексики за 2002 год в общая установленная мощность достигла 43534 МВт и планируется повышение выработки электроэнергии, что предполагает установку к 2007 году еще 21743 МВт мощности. Часть необходимой энергии планируется вырабатывать на частных предприятиях. «Реформа Индустрии в Мексике» 1992 года позволяет производить на частных предприятиях электроэнергию для собственных нужд от установок мощностью до 30 МВт, что позволило в настоящее время производить на предприятиях такой формы собственности 21.2% энергии.

Доля нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) пока невелика - около 3%, но это не значит, что страна не интересуется в развитии энергетики солнца, ветра и биомассы. В Программе развития энергетики указывается, что их использование - это вопрос будущего. Игнорировать НВИЭ означает игнорировать будущее, упускать огромные возможности и в будущем зависеть от импорта технологий, развитых в других странах. Кроме того, эксплуатация энергетических ресурсов с низкой плотностью распределения по всей планете может уменьшить напряжённость в мире и решить политические и экономические проблемы, вызванные неравномерной концентрацией залежей нефти и угля в некоторых географических зонах.

Обилие солнечной энергии в Мексике и острота проблемы энергоснабжения, постоянное повышение тарифов на электроэнергию делают проблему создания эффективных и рентабельных солнечных энергоустановок для автономных потребителей более актуальной, тем более что в стране созданы предпосылки для децентрализации энергоснабжения. Эти установки должны быть надёжными, автоматизированными, простыми в эксплуатации, иметь большой срок службы и одновременно решать проблему водоснабжения.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется развитием энергетики Мексики и необходимостью разработки систем энергоснабжения и водоснабжения для удаленных от энергосистем потребителей малой мощности, что обеспечивает высокий социальный эффект и минимальное воздействие на окружающую среду.

Цель работы заключается в обосновании параметров и разработке солнечной автономной системы электроводоснабжения (СЭВС), рассчитанной на различный уровень энерго- и водопотребления. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. обобщен и оценен теоретический потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мексики для использования в электроэнергетике;

2. создана математическая модель прихода солнечной радиации применительно к территории Мексики, которая позволяет прогнозировать энергетический потенциал солнечной энергии;

3. разработан алгоритм ориентации приемной поверхности солнечной батареи (СБ), обеспечивающий согласование внутригодового графика прихода солнечной энергии с графиком нагрузки;

4. определены графики энерго- и водопотребления для конкретной местности и типов потребителей в Мексике.

5. выполнен системный анализ по определению параметров СЭВС, включающий оптимизацию прихода СЭ, выбор параметров оборудования, отбор максимальной мощности узла «СБ-АБ», эффективную работу насосов;

6. осуществлен анализ работы системы электроводоснабжения для четырех характерных вариантов компоновки СЭВС и сделано их технико — экономическое сопоставление;

7. создан алгоритм автоматического управления СЭВС для наиболее эффективного варианта, который обеспечивает оптимальную работу всей системы автономного электроводоснабжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Определен теоретический потенциал солнечной энергии регионов Мексики с учетом характеристик рельефа.

• Предложен алгоритм ориентации приемной площадки СБ, обеспечивающий выравнивание внутригодового графика прихода СЭ;

• Разработан алгоритм определения максимальной выходной мощности СБ в зависимости от состояния АБ.

• Исследованы переходные процессы пуска двигателя насоса, при его питании от СБ и предложены альтернативные варианты схемы его подключения.

• Впервые проанализирована эффективность применения принципов гидроаккумулирования солнечной энергии для автономного потребителя малой мощности;

• Разработан алгоритм управления СЭВС, обеспечивающий ее эффективную работу.

Практическая значимость работы. Результаты выполненного исследования предназначены для использования при проектировании систем автономного энерговодоснабжения потребителей малой мощности в условиях Мексики. Использование рекомендаций автора на стадии проектирования позволяет повысить конкурентоспособность и экономическую эффективность систем энерговодоснабжения на основе солнечной энергии, что крайне важно для улучшения экологической и социальной обстановки в энергодефицитных районах.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены семинарах кафедры возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Санкт - Петербургского государствнного политехнического университета и кафедры индустриальной электроники Benemerita Universidad Autonoma de Puebla Mexico, на международных конференциях: «Renewable

Energy» С-Петербург 2003; «Electronica-2002» Mexico 2002), « Ecobaltica» C-Петербург 2004.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю заведующему кафедрой ВИЭГ д.т.н., профессору В.В.Елистратову за постоянную помощь, внимание и доброжелательную поддержку в работе. Автор признательна д.т.н., профессору В.А.Грилихесу за ценные советы и консультации по проблемам солнечной энергетики; д.т.н., профессору А.Н.Кривцову за помощь в области автоматизации процессов управления; а также коллективу кафедры ВИЭГ за ценные замечания и советы при обсуждении диссертации.

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Кортес, Лилиана

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы на основании выполненных исследований автором сделаны следующие выводы:

1. На основе анализа состояния развития НВИЭ в Мексике показана эффективность их использования для децентрализованного энергоснабжения потребителей малой мощности. Установлено, что приоритетное значение имеет использование солнечной энергии и преобразование ее в электрическую в единой автономной системе энерго- и водоснабжения.

2. Определены валовые ресурсы солнечной энергии в помесячных интервалах для характерных регионов Мексики и выявлено, что среднемесячный приход колеблется в течение года в диапазоне 14-26 МДж/м2.

3. Разработана уточненная математическая модель прихода солнечной энергии на наклонную площадку, предложены методики расчета часового, дневного и среднемесячного прихода солнечной радиации для условий Мексики в случаях наличия и отсутствия фактических данных и учета влияния высоты местности.

4. Предложена методика определения ориентации приемной площадки СБ, обеспечивающий выравнивание графика выработки солнечной энергии и согласование его с нагрузкой, характерной для условий Мексики.

5. Разработана методика определения максимальной выходной мощности СБ при переменном значении интенсивности солнечного излучения. Предложены принципы управления СБ, позволяющие обеспечить оптимальный отбор мощности в зависимости от состояния АБ.

6. Обоснован выбор типа системы аккумулирования, дано математическое описание АБ как элемента системы регулирования и разработана модель определения текущих параметров и диагностирования ее состояния.

7. В результате исследования энергетических характеристик и взаимосвязи элементов СЭВС предложены четыре характерных варианта ее структуры. Рассмотрены технические особенности вариантов и выбраны их параметры, обеспечивающие удовлетворение графика нагрузки. Для СЭВС с использованием принципов гидроаккумулирования разработана методика определения параметров работы насосов в обратимом турбинном режиме.

8. Разработан алгоритм системы управления СЭВС, объединяющий модели прихода солнечной энергии, диагностики состояния АБ, отбора максимальной мощности от СБ и контроль насосной установки, обеспечивающий оптимальный режим эксплуатации.

Проведено технико-экономическое сопоставление вариантов по себестоимости вырабатываемой энергии и выбран лучший.

138

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кортес, Лилиана, 2004 год

1. Concheiro А.А., Viqueira L.R., Alternativas energeticas. -Mexico:CONACyT, 1985

2. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar energy thermal processes. New York: John Whiley, 19803. www.energia.gob.mx

3. Corchuelo Mora M.A., De la hipsometria de Caldas. Doscientos acos despues. Colombia,Revista colombiana de fisica,vol33,#2,2001

4. Ежегодный бюллетень.Solar radiation and radiation balance data. -St.Petersburgo,The world network, 2000.

5. Методические указания. Расчет характеристик солнечной радиации на горизонтальную поверхность. -С.Петербург, СПбГТУ, 1999.

6. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. -М., Наука, 1984

7. Махмоуд У. Джасим. Выбор параметров энергоустановок солнечного хладоснабжения для автономных потребителей. Автореферат дисс. . к.т.н. -С.Петербург, СПбГТУ, 2002.

8. Лачин В.И., Савелов Н. С.Электроника.- Ростов на - Дону, Феникс, 2002.

9. Использование солнечной энергии. Под ред. Л.Е.Рыбаковой. Ашхабад,Наука, 1985.

10. Климатические характеристики Земного шара. Л.,1977.

11. Кондратьев К.Я. Метеорологические аспекты гелиотех ники. Метеорология и гидрология. - № 8, 1977.

12. Андерсон Б. Солнечная энергия: пер. с англ. М. : Строиздат, 1982.

13. Байрамов Р. Альтернативные источники энергии на службу человека. -Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1992, № ю.

14. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России.- под ред. Безруких П.П. -С.Пб., Наука, 2002.16. http://phys.web.ru

15. Liu В.Y. and Jordan R.C., The Interrelation ship and characteristic distribution of direct, diffuse & total solar radiation. Solar Energy, Vol.4, No.3, 1960.

16. Collares- Perera M., Rable A. The Average distribution of solar radiation correlations between Diffuse and hemispherical and between daily and hourly insulation values. Solar Energy, Vol.22, p. 155,1979.

17. Pridiction and performance assessment of mean hourly global radiation, Gueymard C.l Solar Energy, Vol.68, No.3, pp.285-303,2000.

18. DE. Miguel A., et. al Diffuse Solar irradiation model evaluation in the north Mediterranean belt area, // Solar Energy, Vol.70, No.2, pp. 143-153,2001.

19. Whiller A. Solar radiation graphs// Solar Energy, Vol.9, p. 164,1965.22. 1981 Handbook of Fundamentals, ASHRAE, New York, 1981.

20. Харченко H.B. Индивидуальные солнечные установки.-М., Энергоатомиздат, 1990.24. www.siemens.com

21. Колтун М.М. Солнечные элементы. М., Наука, 1987.

22. Захидов Р.А., Умаров Г.Я. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем.- Ташкент, 1977.

23. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции.- Л.,Наука, 1986.

24. Расчет мощности СФЭС водоподъемного комплекса/ Шаймердангулыев Г., Абыльхекимов Э. Всесоюзн.сообщ. - Тез. докладов. -Геленджик, 1988.

25. Carlos Guix у Luis Serra. Instalaciones fotovoltaicas para viviendas unifamiliares.-Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

26. Ю.Н.Астахов. B.A. Веников. А. Г. Тер-Газарян Накопители энергии в электрических системах М., Высшая школа, 1989

27. Fullea J., Sanchez Lopez С. Acumulacion de energia electrica de origin fotovoltaico. -Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

28. Fullea J., Pascual J.L., Sanchez C. Dimencionado del acumulador de una instalacion fotovoltaica. -Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

29. Беленов A.T., Еарнижевский Б.В. Выбор оптимальной схемы соединения солнечных генераторов с электроприводом.- Гелиотехника, №3,1969.

30. Багоцкий B.C., Скундин A.M. Химические источники тока.-М.,Энергоиздат, 1981.

31. Устинов П.И. Стационарные аккумуляторные установки.- М., Энергия, 1970.

32. Якубовский В.Я., Любиев О.Н. Математическое моделирование аккумуляторной батареи, работающей в буферном режиме с генератором постоянного тока. "Электротехника", 1972, №1. с.54 -55.

33. Любиев О.Н. Аналитическое описание аккумулятора как элемента электрической цепи. Известия вузов. Электромеханика, 1971, №11. -сЛ 1901196.

34. Бесекерский В.А., Ефремов Н.Б., Зиатдинов С.И. и др. Микропроцессорные системы автоматического управления. JL: Машиностроение, 1988. - 365с.

35. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электрпривода.- М., Госэнергоиздат, 1963.

36. Андерсон Б. Солнечная энергия.-М., Стройиздат, 1982.

37. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. -М., Энергия, 1971.

38. Александровский А.Ю. и др. Гидроэнергетика.- М., Энергоатомиздат, 1988.

39. Карелин В.Я., Новодережкин Р.А. Насосные станции с центробежными насосами.- М., Стройиздат, 1976.

40. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции: Учебник для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. - М. : Строй издат, 1986.

41. Беленов А.Т. , Тарнижевский Б.В. Оптимизация режимов генерирования электроэнергии в автономной системе фотоэлектричес кий генератор-электродвигатель постоянного тока. Гелио техника. - № 6. - 1969.

42. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Хаммуд Хуссейн Аббас. Обоснование режимов работы насосной установки при электропи тании от СБ. Всесоюзн.совещ. : Тез. докл. г. Геленджик.1988.

43. Гидроэнергетические установки. Под ред. Д.С.Щавелева. М.: Энергия, 1988.

44. Кароль JI.A. Гидроэнергетические установки.- М., МЭИ, 1970.

45. Кривченко Г.И. Гидравлические машины.-М., Энергия, 1978.

46. Асос Фатих Расул Комбинированное использование солнечной и гидравлической энергии автономными потребителями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.,- М., 1992.

47. Джума Ахмад Система Автоматичного Управлшня вщновлювальними джерелами eHeprii. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Клровоград, 1996.

48. Naaijer G.J. instalaciones solares fotovoltaicas para bombeo de agua. -Espana; Marcombo, S.A.- 1983.

49. Алиев P.K. Переносные фотоэлектрические станции для электроснабжения потребителей объектов отгонного животноводства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., -М., 1995.

50. Хуссейн Шабан Мохаммед Эль Шафи Оптимизация основных параметров фото- и ветроэлектрических установок и их комбинирования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., С- Пб., 1991.

51. Елистратов В.В. Основы и методы гидравлического аккумулирования энергии возобновляемых источников. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н., С-Пб., 1996.

52. Аршеневский Н.Н., Левина С.И., Натариус Е.М. Характеристики капсульных агрегатов при их работе в обратимых режимах. ГТС, 1979, №10.

53. Васильев Ю.С., Беляев С.Г., Елистратов В.В., Саморуков И.С. Физическое моделирование гидравлических процессов в элементах ГЭС и крупных НС. Тезисы н.-т. Совещ., Дивногорск, 1989.

54. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Мухаммадиев М.М. Энергетическое и гидродинамическое исследование турбинных режимов работы крупных насосных станций. ГТС №2, 1989.

55. Brada К., Blacha J., Fakulta S. Aplikace Hydrodinamic kych cerpade providni mikroelektrarny. Energetika,32,#4.

56. Schnitzev V., Neue perspectiven zur Nutzung kleiner und kleinster Wasserkrafte durch pumpen in Turbinenbetrieb. Wasserwirtschaft, 75, #1, 1985.

57. Виссарионов В.И., Елистратов B.B., Мухаммадиев М.М. Энергетические исследования насосных станций с капсульными агрегатами в режиме гидроаккумулирования.-Изв.ВУЗов. Энергетика , №1, 1987.

58. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Бендиткис Л.И. Гидроаккумулирование на насосных станциях- резерв маневренных мощностей.- ГТС№8, 1989.

59. Бернштейн Л.Б. Приливные электростанции в современной энергетике. -М., -JL, Госэнергоатомиздат, 1961.

60. Бернштейн Л.Б., Силаков В.Н., Эрлихман Б.Л. Приливные электростанции.-М., Энергоатомиздат, 1986.

61. Елистратов В.В. Аккумулирование энергии возобновляемых источников. -М., Амипресс, 200272. [e-mail].

62. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования. Под ред. Гольдберга О.Д.-М., Высшая школа, 2001.74. www.energon.ru