На правах рукописи ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ С
advertisement
На правах рукописи Яковлева Эмилия Владимировна ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минеральносырьевой университет Горный». Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Абрамович Борис Николаевич Официальные оппоненты: Косьянов Вадим Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе», кафедра механизации, автоматизации и энергетики горных и геологоразведочных работ, заведующий кафедрой Чернявская Ирина Анатольевна кандидат технических наук, ОАО «Татнефть», управление энергетики, ведущий инженер Ведущая организация – Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения». Защита состоится 17 июня 2013 г. в 12 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 7212. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автореферат разослан 16 мая 2013 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета ГАБОВ Виктор Васильевич 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Солнечная энергетика является быстро развивающейся отраслью возобновляемых источников энергии. В этом научном сегменте достигнут большой прогресс. В мировой практике солнечные фотоэлектростанции (СФЭС) широко применяются для выработки как электрической, так и тепловой энергии. В России введены системы электроснабжения с СФЭС мощностью 10 и 30 кВт в Республике Саха, Омской области, Краснодарском крае и в ряде других регионов страны. При этом стоимость фотоэлементов уменьшилась за последний год на 25%. Геологоразведочные работы (ГРР) на территории России в основном проводятся в регионах, где либо отсутствует централизованное электроснабжение, либо стоимость 1 кВт•ч значительно превышает стоимость электроэнергии в центральных районах РФ. С каждым годом ГРР углубляются во все более труднодоступные районы с тяжелыми климатическими условиями, где нет централизованного электроснабжения. Электроснабжение с применением СФЭС позволит повысить эффективность ведения ГРР, в том числе уменьшить затраты на разведку и поиск твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Поэтому обоснование и выбор наиболее эффективных решений, обеспечивающих создание системы электроснабжения электротехническим комплексом (ЭТК) с солнечной фотоэлектрической станцией (ФЭС) для автономных потребителей ГГР с учетом условий эксплуатации, природно-климатических и социально-экономических особенностей регионов, представляется актуальной народно-хозяйственной задачей. Вопросом решения указанной задачи посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых: Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Косьянов В.А., Лимитовский А.М., Попель О.С., Г. Раушенбах, Andreas W. Bett, Frank Dimroth, Raymond Hoheisel, Simon P. Philipps, Gerald Siefer, Alexander Wekkeli. Однако, к настоящему времени не решен ряд задач, в том числе не обоснованы рациональные структура и параметры ЭТК с ФЭС, не разработан алгоритм управления СФЭС, обеспечивающий эффективное 3 проведение ГРР с учетом их цикличности при различных внешних воздействиях и графиках электрических нагрузок. Цель работы: Повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов ГРР с использованием солнечной электростанции в удаленных от централизованной энергосистемы районах. Идея работы: Эффективное электроснабжение ГРР при отсутствии централизованного электроснабжения достигается путем использования в составе ЭТК ФЭС, параметры которого определяются на основе комплексного анализа состава электроприемников, графиков электрических нагрузок, географических и климатических характеристик района проведения изысканий. Основные задачи исследований: 1. Выполнить анализ схем электроснабжения и графиков электрических нагрузок ГРР и по полученным результатам выявить основные показатели, которые характеризуют процесс обеспечения электроэнергией геологоразведочных работ; 2. Оценить реальный годовой объем вырабатываемой электроэнергии (валовый потенциал солнечной энергии) с одного квадратного метра горизонтальной площадки, на которой размещена ФЭС, в зависимости от параметров и затененности ФЭМ, от угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ, географических, климатических условий; 3. Разработать математическую модель ЭТК с ФЭС и промежуточным накопителем энергии, позволяющую обосновать рациональную структуру и параметры ЭТК с ФЭС на базе монокристаллических фотоэлементов; 4. Разработать физическую модель фотоэлектрической системы в составе ЭТК на основе комплекса SolarLab и провести исследования эффективности процессов преобразования солнечной энергии в электрическую с учетом вариации параметров вольтамперных характеристик (ВАХ), интенсивности светового потока и степени затененности фотоэлектрических модулей (ФЭМ); 5. Разработать алгоритм управления СФЭС, обеспечивающий эффективное электроснабжение ГРР при заданных графиках электрических нагрузок и вариации климатических 4 условий. Провести технико-экономическое обоснование эффективности электроснабжения ГРР с использованием ЭТК с ФЭС. Научная новизна работы: 1. Выявлены закономерности, характеризующие процессы электропотребления в системе автономного энергоснабжения ГРР, от топологии СФЭС, параметров ВАХ ФЭМ, их затенения, процессов заряда и разряда аккумуляторных батарей (АКБ), позволяющие обосновать рациональную структуру, схемотехнические решения и экономическую целесообразность применения ФЭС в составе ЭТК ГРР. 2. Выбор параметров ФЭС и АКБ в составе ЭТК для электроснабжения ГРР должен осуществляться на основании параметров графиков электропотребления электроустановками ГРР, географических и климатических условий, включая средние и максимальные значения плотности потока солнечного излучения, периодичности их возникновения, характерных особенностей и сезонности ГРР, а также параметров резервного источника питания. Теоретическая и практическая ценность диссертации: 1. Выявлены зависимости параметров ЭТК с ФЭС в составе системы электроснабжения ГРР от параметров фотоэлектрических панелей, дизель-генераторной установки (ДГУ), от географического месторасположения объекта, поступающей на поверхность инсоляции, ее характерных особенностей в зависимости от региона и показателей графиков нагрузки потребителей, характера и сезонности ведения ГРР 2. Разработан алгоритм и выявлены зависимости показателей качества электрической энергии от состава электрических нагрузок и параметров сети геологоразведочных работ. 3. Обоснована экономическая эффективность электроснабжения ГРР от ЭТК с ФЭС с учетом географического расположения объекта, а также с учетом сезонности. Методы исследования: В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного математического 5 моделирования в системе MatLab Simulink, численного анализа с использованием пакета MathCAD, MS Excel, LabVIEW экспериментальных исследований электротехнических и электромеханических комплексов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы основывается на использовании апробированных аналитических методов исследований и сходимостью результатов с экспериментальными данными. Реализация результатов работы. Структурная схема и алгоритм ее управления предложен к использованию в компаниях ОАО «Татнефть» и ОАО «Газпром нефть». Личный вклад автора. Разработан ЭТК с ФЭС, обладающий структурной и параметрической достаточностью, выполнено обоснование его параметров для обеспечения электроэнергией потребителей геологоразведочных партий. Разработан алгоритм управления ЭТК с ФЭС, удовлетворяющий условиям технологического процесса ведения ГРР. Установлены зависимости параметров ЭТК с ФЭС от географических и климатических характеристик района проведения изысканий с учетом сезонности работ. Определен технический потенциал солнечной энергии на территории республики Татарстан. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международной конференции студентов и молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2010г.), научно-практических семинарах с международным участием «Неделя науки в СПбГПУ LXL, XL, XLI» (СанктПетербург, СПбГПУ, 2010÷2012); 8 международной научной школе молодых ученых и специалистов (Москва, УРАН ИПКОН РАН, 2011); семинарах кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 11 работ, в том числе 4 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. 6 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 77 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 70 наименований. Общий объем диссертации 138 страниц. Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования. В главе 1 рассмотрено современное состояние проблемы утилизации солнечной энергии различными способами, приведены основные характеристики фотоэлектрических элементов и представлены результаты проведенного анализа и оценки различных ФЭМ, которые могут быть использованы в условиях ГРР. Выявлены научно-технические проблемы создания ЭТК с СФЭС для электроснабжения ГРР. В главе 2 проведен анализ существующих проблем энергоснабжения ГРР, обобщены и приведены к единому значению основные показатели графиков нагрузок при ведении ГРР. Выявлены основные потребители электроэнергии ГРР. Проведен анализ энергопотребления при ведении ГРР в условиях Востока и Северо-востока России. Проведены исследования характера энергопотребления на примере Уронайской геологоразведочной экспедиции. Обоснована целесообразность применения СФЭС для электроснабжения полевой базы. В главе 3 приведены результаты изучения параметров солнечного излучения в регионах ведения геологических изысканий. Определены валовый, технический потенциалы солнечной энергии в зависимости от месторасположения объекта, средние, максимальные и суммарные дневные значения солнечной радиации. Проведено моделирование профиля освещенности и продолжительности сияния, на основании результатов которого выбран оптимальный угол наклона солнечных панелей. Определены влияния изменения погодных условий на выработку электроэнергии ФЭМ и процессы заряда и разряда АКБ. Представлены результаты экспериментов на установке SolarLab, входящей в состав лабораторной базы Национального минерально-сырьевого университета «Горный». В главе 4 разработаны структура и алгоритм управления СФЭС, обеспечивающий эффективное проведение ГРР при различных внешних воздействиях и графиках электрических 7 нагрузок. Обоснован выбор параметров ЭТК с ФЭС на базе монокристаллических фотоэлементов. Выполнена апробация алгоритма управления ЭТК с ФЭС на примере Уронайской геологоразведочной экспедиции. В главе 5 выполнено технико-экономическое обоснование СФЭС для электроснабжения ЭТК геологоразведочных экспедиций. Рассмотрены вопросы выбора числа и мощности ДГУ, эффективность применения ДГУ в составе ЭТК с ФЭС для покрытия для покрытия максимумов графиков нагрузки. Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами. По результатам проведенных исследований на защиту выносятся следующие положения: ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Обоснование структуры и параметрической достаточности электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией и дополнительным источником питания производится на основании выявленных показателей графиков электрических нагрузок геологоразведочных работ, включая коэффициенты заполнения и формы, максимума, числа часов использования максимума нагрузки, с учетом географических, климатических характеристик района проведения изысканий и затенения ФЭМ. ГРР являются энергозатратным видом работ минеральносырьевой промышленности. При выполнении диссертационной работы были проведены исследования процессов электропотребления ГРР в ряде районов – Республике Татарстан, Забайкалье, Магаданской области, где наиболее энергоемким видом работ является бурение скважин большого диаметра на глубину до 500 м. Общее энергопотребление геологоразведочной экспедиции без учета процесса бурения геологоразведочных скважин составляет в среднем 20-25 кВт. Поэтому с учетом современного состояния развития ФЭС ниже рассмотрены вопросы электроснабжения ЭТК с использованием ФЭС для обеспечения электроэнергией геологоразведочной партии (полевой базы) без учета нагрузки, потребляемой при проведении буровых работ. 8 Проведен комплексный анализ графиков электрических нагрузок полевых баз ряда ГРР. Ниже приводятся показатели электропотребления ГРР на примере Уронайской геологоразведочной экспедиции, проводящей работы в Забайкалье. Общее энергопотребление полевой базы геологоразведочной партии составляет 21 кВт. Усредненный суточный график нагрузки представлен на рисунке 1. График получен на основании снятых в течение всего сезона работы партии (с апреля по ноябрь месяц) графиков нагрузок. Среднее энергопотребление составляет 6,84 кВт. Энергопотребление в ночные часы, в период с 12 ночи до 5 утра минимально и составляет согласно расчетам в среднем от 2 кВт до 4 кВт в зависимости от месяца. Максимального энергопотребления геологоразведочная партия достигает в апреле, октябре и ноябре месяце. В ночное время, более 80% потребителей электроэнергии партии отключены. 16,00 14,00 мощность, кВт 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 часы Рисунок 1 – Усредненный суточный график нагрузки Уронайской геологоразведочной экспедиции На основании анализа графиков электрических нагрузок Уронайской геологоразведочной экспедиции выявлены следующие показатели: среднее значение Pmax составляет 16,5 кВт, коэффициент заполнения графика Кз = 0,41, коэффициент использования максимума Кmax = 2,41, время использования максимума Tmax = 9,94. В работе определены промежутки времени, в течение которых приход солнечной радиации на объект является положительной величиной, для различных регионов на территории РФ, найден угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ. На рисунке 2 представлены результаты моделирования продолжительности светового дня для июня месяца 9 и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ для условий Уронайской геологоразведочной экспедиции. 1 0.9 0.8 0.7 Cos i0.6 0.5 Sn i 0.4 0.3 0.2 0.1 0 240 320 400 480 560 640 720 800 880 960 3 1.0410 1.1210 3 1.210 3 i Рисунок 2 – Графики продолжительности светового дня для июня месяца и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ Функция sinψ описывает уравнение движения Солнца, где ψ – угол возвышения Солнца, измеряемый в вертикальной плоскости. По полученным данным CosГ рассчитывают эффективную плотность солнечного излучения S’. Результатами моделирования являются определенные значения продолжительности светового дня, которое для июня месяца составляет 16 часов. Выходная мощность ФЭМ в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе Г. Раушенбаха: P S cos Г F A б ф Б (1) где S – минимальное значение плотности потока солнечного излучения; Г – суммарный угол наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ; ηф – КПД ФЭМ; F – суммарный фактор, учитывающий особенности ФЭМ и дальнейшую деградацию ее параметров; АБ – площадь ФЭМ. Выбор мощности ФЭМ по методу минимального значения плотности потока солнечного излучения Smin не учитывает повторяемости этого значения. Следовательно, данный подход является не рациональным для некоторых регионов, которые обладают большим солнечным потенциалом, где вероятность повторяемости Smin крайне мала. Проведены исследования характера солнечного излучения на территории Уронайской геологоразведочной экспедиции. Координаты расположения исследуемого объекта: 51ºс.ш. 115ºв.д. Сезонность работ – с апреля по ноябрь месяц включительно. 10 Плотность потока солнечного излучения, с учетом периодичности ведения работ, достигает минимального значения в ноябре месяце и составляет 1,55 кВт/м2. Последующие значения плотности потока солнечного излучения в разы превышают Smin , таким образом, что среднее значение плотности потока солнечного излучения Sav уже составляет 4,3 кВт/м2. Согласно (1), выходная мощность, получаемая с 1 м2 ФЭМ, будет составлять 0,1 кВт. Если заменить в (1) Smin на Sav, то P S cos Г FA б av Б 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 вырабатываемая мощность ФЭМ площадью 50 м^2, кВт . (2) Значение выходной мощности в этом случае составит 0,28 кВт, что более чем в 2 раза превышает значение выходной мощности, рассчитанное для Smin. Для обоих случаев, среднее значение cosГ составляет 0,4, коэффициент затенения F – 0,85, КПД – 19,1%. Согласно (1) выходная мощность ФЭМ площадью 50 м2 составит 5 кВт, по (2) 13 кВт. Следовательно, для определения выходной мощности необходимо учитывать среднее значение плотности потока солнечного излучения в том случае, когда оно в несколько раз превышает минимальное значение. Количество ФЭМ зависит от числа потребителей, которые будут получать электроэнергию от ФЭС, их характеристик — КПД, параметров ВАХ, единичной площади. Получены диаграмма (рисунок 3) теоретически возможной вырабатываемой мощности ФЭМ площадью 50 м2 на основании данных о солнечной активности, продолжительности светлого времени суток и других климатических и географических характеристик района проведения работ. число Рисунок 3 – Вырабатываемая мощность ФЭМ для ноября месяца 11 Выявлено, что обеспечение электроэнергией всех потребителей геологоразведочной экспедиции только за счет ФЭС не позволит обеспечить гарантированность, бесперебойность и качество электроснабжения. Поэтому целесообразно применять дополнительно n источников питания, мощность которых выбирается на основании графиков нагрузок. Типы энергоисточников могут быть как на основе углеводородного топлива (бензин, дизель), так и на основе других возобновляемых источников энергии. На основании проведенных исследований была предложена следующая структура ЭТК с ФЭС (рисунок 3). В состав ЭТК с ФЭС входят 3 источника питания: 1) ФЭМ – генерируют напряжение UPV и ток IPV, значения которых являются переменными величинами U PV , I PV f ( S , t , t , T , Fk , k ) , (3) где S – значение инсоляции на территории объекта; tº температура окружающей среды, t – время суток, Т – время года, Fk – коэффициент затенения, k – параметр, характеризующий погодные условия. Коэффициент затенения определяется как отношение выходных параметров частично затененной батареи произвольной формы и размеров к гипотетическим выходным параметрам такой же незатененной батареи. Значение Fk обусловлено как затенением поверхности солнечных модулей из-за переменных погодных условий, так и за счет возможного старения или появления отдельного дефектного солнечного элемента фотоэлектрической панелей, а так же различными значениями отражающей поверхности окружающей среды, которые влияют на величину рассеянного солнечного излучения. 2) ДГУ (Idg, Udg) служит для обеспечения электроэнергией технологических потребителей геологоразведочной партии, а также для поддержки номинального напряжения UNline в сети экспедиции; 3) Блок АКБ – IB и UB. АКБ может служить в зависимости от типа схемы (рисунок 4) либо для работы в ночное время (рисунок 4а) либо для работы в буферном режиме (рисунок 4б), для экономии углеводородного топлива и моторесурса ДГУ. Кроме того, АКБ поддерживает значение напряжения в случае падения 12 напряжения UNline в сети геологоразведочной экспедиции в дневное время. б) а) Рисунок 4 – Структурная схема ЭТК с ФЭС В состав также входят преобразователи постоянного напряжения DC/DC, инверторы напряжения AC/DC, DC/AC, блок управления и коммутационная аппаратура. Конвертор DC/DC после ФЭМ обеспечивает согласование различных уровней напряжения UPV и Udg, а также для обеспечения оптимального выходного напряжения с ФЭМ для работы в режиме отдачи максимально мощности Pmax (MPPT). 2. Обоснование режимов и формирование алгоритма работы электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией и дополнительным источником питания, при которых обеспечивается надежность и экономичность электроснабжения объектов геологоразведки при минимизации расхода углеводородного топлива, должны производиться на основании выявленных зависимостей, характеризующих электропотребление ГРР, включающих преобразование солнечной энергии в электрическую, ее аккумулирование с учетом процессов разряда и заряда аккумуляторных батарей, преобразование параметров электрической энергии в условиях вариации плотности потока солнечной энергии. Обобщенная структура схемы ЭТК с ФЭС для энергоснабжения геологоразведочной экспедиции приведена на рисунке 5. В компонентный состав схемы входят: ФЭМ (PV), блок АКБ (В), ДГУ (ДГУ), преобразователь постоянного напряжения (DC/DC), инвертор (AC/DC, DC/AC), датчики напряжения и тока, контроллер (control block), ключи (1,2), ёмкостной фильтр (С). 13 При выборе ФЭМ определяющими являются следующие параметры – ток короткого замыкания Iкз, напряжение холостого хода Uxx, КПД и фактор заполнения FF=Iн*Uн/(Iкз*Uхх), где Iн и Uн – номинальные значения тока и напряжение панели. По результатам сравнительного анализа различных типов фотоэлементов для применения в условиях геологоразведочных работ была рассмотрена возможность построения ФЭС с использованием монокристаллических ФЭМ, КПД которых составляет 19,1%. Средняя вырабатываемая мощность ФЭС по условию параметрической достаточности составляет 10 кВт. Поэтому для обеспечения потребителей полевой базы мощностью 10 кВт при использовании ФЭМ единичной мощностью 238 Вт и площадью 1,42 м2 требуемая площадь ФЭМ ФЭС составляет 53 м2. При увеличении средней вырабатываемей мощности до 20 кВт площадь ФЭМ увеличится до 106 м2. На рисунке 6 представлена диаграмма, отражающая зависимость технического потенциала от координат размещения ФЭС для различных фотоэлектрических элементов. Экспериментально с использованием установки SolarLab подтверждена зависимость выходных параметров фотоэлектрических элементов из монокристаллического кремния от мощности потока солнечного излучения, угла падения светового потока и нормалью к плоскости элементов. Определен технический потенциал солнечной энергии на территории России, где возможно проведение ГРР с учетом вариации параметров солнечного излучения в зависимости от широты и долготы размещения ФЭС. Усредненный коэффициент затенения Fk был принят равным 0,8. Реальный годовой потенциал, приходящийся на горизонтальную площадку из фотоэлектрических элементов площадью 1 м2, обладающих коэффициентов полезного действия равным 19,1 %, находится в пределах - 112 кВт•ч/м2 - 210 кВт•ч/м2. В среднем по стране значение технического валового потенциала солнечной энергии будет составлять 170 кВт•ч/м2 в год, если не учитывать зоны полярной ночи. Согласно проведенным расчетам, территорию ряда регионов РФ со средним годовым потенциалом 150 и более кВт•ч/м2 в год можно характеризовать перспективной для использования ФЭС с 14 ФЭМ для минимизации использования углеводородного топлива в ДЭС, за счет электропитания части потребителей, находящихся в условиях как автономного, так и централизованного электроснабжения, при параллельной работе ФЭС с централизованной системой электроснабжения. В случае совместного использования ФЭМ и АКБ, необходимо учитывать количество вырабатываемой электрической энергии ФЭМ при выборе емкости АКБ. Это обосновано тем, что не вся вырабатываемая ФЭМ электроэнергия может быть запасена в АКБ – избыток энергии рассеивается на шунтирующем резисторе, что приводит к понижению общего КПД системы. В случае расчета вырабатываемой мощности ФЭМ по (2) и расчета емкости АКБ с учетом максимального значения плотности солнечного излучения Smax, повыситься общее КПД системы, так как уменьшится значение потери мощности. Следовательно, выбор площади ФЭМ должен производиться с учетом среднего значении потока солнечного излучения, емкость АКБ должна выбираться в соответствии с максимальным значением плотности потока солнечного излучения. На основании полученных результатов и моделирования вероятных изменений погодных условий, влияющих на выработку электроэнергии ФЭМ и на процесс заряда и разряда АКБ, были выявлены зависимости, характеризующие этот процесс. На рисунке 7 представлен график заряды АКБ согласно профилю освещенности на 51 северной широте при идеальных погодных условиях. Ёмкость АКБ должна выбираться на основании следующих расчетов. Количество энергии, которое может быть аккумулировано в АКБ, WАКБ Wmax Wav , (4) где Wmax – количество энергии, которое может быть аккумулировано за один световой день при условии максимального значения потока солнечной энергии Smax, Wav – количество энергии, которое может быть аккумулировано за один световой день при условии среднего значения потока солнечной энергии Sav. Необходимая емкость АКБ определяется из следующего выражения 15 C (Smax Sav ) b k T Aб cos Г ф F , U АКБ р (5) где ηb - КПД АКБ, k – коэффициент, учитывающий потери в системе АКБ-ФЭС, T – продолжительность сияния в часах, Г – суммарный угол наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ, ηф – КПД ФЭМ, F – фактор, учитывающий деградацию параметров, АБ – площадь ФЭМ, ηр допустимая глубина разряда, которую можно принять равной ηр = 80 %, UАКБ – напряжение АКБ (12, 24, 48.. В). Разработана модель, позволяющая произвести методом скользящего суммирования характер разряда и заряда АКБ. Результат моделирования процесса заряда АКБ в условиях вариации погодных условий представлен на рисунке 8, из которого виден, характер изменения тока заряда АКБ. Рисунок 8 – Характер изменения тока заряда АКБ с учетом случайного процесса набегания облаков Для обеспечения надежности электроснабжения ГРР выбор компонентов системы должен производиться с учетом резервного источника питания – ДГУ. Мощность ДГУ выбирается соизмеримой с мощностью потребителей с учетом мощности ФЭМ. На основании выбранной методики компоновки системы, был разработан алгоритм работы всего комплекса, схема которого показана на рисунке 5. при разработке алгоритма учтены: режим заряда АКБ, в условиях различной освещенности; степени включения ДГУ в зависимости от режима заряда АКБ; 16 режим совместной работы ФЭМ и АКБ. Изначальное условие работы системы заключается в том, что ФЭМ и АКБ способны в течении Δt обеспечивать электроэнергией потребителей мощностью P1, значение которой выбирается на основании графиков нагрузок и потенциала солнечного излучения на территории ведения геологических изысканий. В алгоритме предусмотрено отслеживание возможности обеспечивать потребителей полевых баз ГРР в ближайшие 12 часов 12 P1 Pi . i1 (6) Выражение 6 является условием № 1. В случае, когда накопленного заряда АКБ не достаточно для выполнения условия 1, система пересчитывает значение P1, снижая его до значения P2 на период времени Δt’, при условии что P2 составляет 50% от P1. Таким образом, условие № 2 для системы управления выглядит следующим образом t2 РАКБ P 2. it1 (7) До момента времени t3 – момента времени, когда вновь начнется выполняться условие 1, система работает в режиме 2. Третий режим предусматривает снижение P1 на 75% на промежуток времени Δt’’. Поэтому условие перехода к режиму 3 t4 РАКБ P 3. it3 (8) Возможность такого регулирования режима процесса заряда АКБ обусловлена ступенчатым отключением потребителейрегуляторов и переводом их электропитания на резервный источник питания – ДГУ. Поэтому согласно выбранному алгоритму система контроля в случае невыполнения условия 1 переключает первую группу потребителей на электропитание от ДГУ. В случае невыполнения условия 2, система переключает вторую группу потребителей на электропитание от ДГУ и т.д. (рисунок 9). 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научнотехнической задачи повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов геологоразведочных работ с использованием ФЭС в удаленных от централизованной энергосистемы районах. 1. Выявлены показатели графиков электрических нагрузок полевых баз при ведении ГРР. Среднее значение Pmax составляет 16,5 кВт, Рср составляет 6,84 кВт, коэффициент заполнения графика Кз = 0,41, коэффициент использования максимума Кmax = 2,41, время использования максимума Tmax = 2386 за весь сезон. Для обеспечения параметрической достаточности полевых баз геологов средняя вырабатываемая мощность ФЭС составляет 10-20 кВт. Общее энергопотребление составляет в среднем 40 000 кВт·ч за сезон. 2. Рассчитан реальный годовой потенциал, приходящийся на горизонтальную площадку из фотоэлектрических элементов площадью 1 м2, обладающих коэффициентов полезного действия равным 19,1 %, находится в пределах - 112 кВт•ч/м2 - 210 кВт•ч/м2. В среднем по стране значение технического валового потенциала солнечной энергии будет составлять 170 кВт•ч/м2 в год, если не учитывать зоны полярной ночи. 3. На основании полученных результатов доказано, что выбор структуры и схемы ЭТК с ФЭС должен осуществляться на основании комплексного анализа графиков электрических нагрузок геологоразведочной экспедиции, выявления характеристик потребителей, географического и климатического расположения партии. 4. Обосновано, что выбор площади и соответствующей ей выходной мощности ФЭМ осуществляется на основании экспериментальных данных освещенности промышленной площадки геологоразведочной партии, что позволяет осуществить выбор параметров ЭТК с ФЭС и ДГУ на основе параметров плотности потока солнечной энергии. В условиях сезонности работ и малой повторяемости минимального значения плотности потока 18 солнечного излучения площадь ФЭМ выбирается на основании среднего значения плотности потока солнечной энергии. 5. Доказано, что выбор емкости АКБ осуществляется на основании комплексного анализа сезонности работ и максимальных значений плотности потока солнечной энергии, КПД АКБ, коэффициента, учитывающего потери в системе АКБ-ФЭС, продолжительности сияния в часах, суммарного угла наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ, КПД ФЭМ, деградацию параметров, площадь ФЭМ, допустимую глубину разряда. 6. Перспективными для использования ФЭС с ФЭМ при производстве ГРР являются регионы РФ со средним годовым потенциалом 150 и более кВт•ч/м2. Срок окупаемости предложенной структуры составляет 14 месяцев. При продолжительности работ от 16 месяцев экономический эффект составит 0,21 млн. рублей. При увеличении срока проведения геологоразведочных работ до 24 месяцев экономический эффект составит 1,07 млн. рублей, для 36 месяцев – 2,35 млн. рублей. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1. Яковлева Э.В. Электроснабжение геологоразведочных работ с использованием гибридных электростанций // Горное оборудование и электромеханика - 03/2013, Изд-во «Новые технологии», Москва, 2013 – С. 19-22. 2. Абрамович Б.Н., Яковлева Э.В. Фотоэлектрическая станция прямого преобразования для объектов минеральносырьевого комплекса // Записки Горного института: РИЦ СПГГИ (ТУ). - Т. 196 – 2012. - С. 210-213. 3. Бельский А.А., Яковлева Э.В. Обоснование возможности использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения объектов минерально-сырьевого комплекса // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», Научно-технический центр Тата, Саров - 02/2 (120)2013. – С.63-68. 4. Яковлева Э.В., Эффективность применения электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией прямого преобразования солнечной энергии на территории 19 республики Татарстан // Естественные и технические науки, №1, 2013.г. Москва, Изд-во «Спутник +» С. 189-192. 5. Абрамович Б.Н., Яковлева Э.В., Солнечная электростанция в системе энергоснабжения геологоразведочных работ // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых, Екатеринбург, 2010, С – 427-428. 6. Яковлева Э.В., Внедрение фотоэлектрической станции в систему электроснабжения геологоразведочных работ // Сборник докладов X международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». – Т.2. - М.: Экстра-Принт, 2011, С – 235 7. Яковлева Э.В., Анализ применения фотоэлектрических станций на объектах горнодобывающей промышленности на территории России (тезисы) // Неделя науки СПБГПУ: материалы международной научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012, С – 114-116. 20 Технический потенциал солнечной энергии на территории России, ФЭС площадью 53 м^2 18000,00 16000,00 Этех, кВтч/м^2 14000,00 12000,00 КПД 19,1 % 10000,00 КПД 21,5 % 8000,00 КПД 24,5 % КПД 34,7 % 6000,00 4000,00 2000,00 0,00 130 40 43 105 45 50 92 55 55 166 34 142 60 34 65 98 79 Координаты (северная широта, восточная долгота) Рисунок 5 – Схема ЭТК с ФЭС в общем виде Рисунок 6 – Технический потенциал солнечной энергии за год на территории России, ФЭС площадью 53 м2 3 ET1i ETi 110 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 120 240 360 480 600 720 840 3 3 3 960 1.0810 1.210 1.3210 1.4410 3 i Рисунок 9 – Режимы работы АКБ Рисунок 7 – Заряд АКБ при идеальных условиях светового дня 21
