Введение к работе
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 кВтч 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 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:
-
Выполнить анализ схем электроснабжения и графиков электрических нагрузок ГРР и по полученным результатам выявить основные показатели, которые характеризуют процесс обеспечения электроэнергией геологоразведочных работ;
-
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;
-
Разработать математическую модель ЭТК с ФЭС и промежуточным накопителем энергии, позволяющую обосновать рациональную структуру и параметры ЭТК с ФЭС на базе монокристаллических фотоэлементов;
-
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 вольт-амперных характеристик (ВАХ), интенсивности светового потока и степени затененности фотоэлектрических модулей (ФЭМ);
-
Разработать алгоритм управления СФЭС, обеспечивающий эффективное электроснабжение ГРР при заданных графиках электрических нагрузок и вариации климатических условий. Провести технико-экономическое обоснование эффективности электроснабжения ГРР с использованием ЭТК с ФЭС.
Научная новизна работы:
-
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.
-
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:
-
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
-
Разработан алгоритм и выявлены зависимости показателей качества электрической энергии от состава электрических нагрузок и параметров сети геологоразведочных работ.
-
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 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» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 20102012); 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.
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.
