Автономные энергоустановки в рб реферат

Обновлено: 02.07.2024

В условиях энергетической нестабильности гарантированное бесперебойное энергообеспечение приобретает особое значение. Существующие технические решения ориентируются главным образом на наличие единых энергосетей большой мощности и эксплуатацию энергетического оборудования в единой энергосистеме. В целом это повышает надежность централизованного энергоснабжения, одновременно вынуждая применять жесткие меры по обеспечению устойчивости системы, вплоть до принудительного автоматического отключения отдельных потребителей в кризисных ситуациях.

Для удаленных потребителей

В настоящее время более половины российской территории, прежде всего удаленные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Восточной Сибири, где живет около 20 процентов населения страны, не имеет централизованного электро- и теплоснабжения. Кроме того, остается неэлектрифицированной значительная доля фермерских хозяйств, садоводческих участков, леспромхозов, а также местных производств в Европейской части страны. Восполнить отсутствие централизованного энергоснабжения, в том числе в отдаленных или экономически неразвитых районах, могут автономные энергетические установки малой мощности, использующие как традиционные источники энергии (привозное топливо), так и нетрадиционные, возобновляемые источники. При этом установки на привозном топливе требуют относительно небольших капитальных затрат при высоких эксплуатационных издержках, а агрегаты на возобновляемых источниках (из‑за малой плотности потоков энергии) – значительных капитальных затрат при низких эксплуатационных издержках и отсутствии топливной составляющей.

Энергообеспечение таких потребителей возможно при комбинированном использовании дизельных электростанций и низкопотенциальной энергии ветра, Солнца, малых рек и т. д., а во многих случаях только за счет последней. Основная топливная составляющая в себестоимости подобной энергии либо очень мала. Таким образом, энергоустановки, использующие возобновляемые источники, более эффективны, чем дизельные (бензиновые) электростанции или подсоединение к централизованным энергосистемам.

В системах автономного энергоснабжения, в том числе и с низкопотенциальными источниками энергии, необходимо учитывать три основных фактора: мощность источника энергии, максимальная мощность потребления и время использования мощностей потребителем. При этом мощности источников энергии далеко не всегда должны соответствовать максимальному энергопотреблению, так как, учитывая третий фактор, можно удовлетворить максимальные потребности в энергии при значительно меньших мощностях генерирующих источников.

Конкуренто-способное автономное снабжение

В основу создания предлагаемых конкурентоспособных установок автономного энергоснабжения положен принцип системности. АСЭ объединяет комплекс генерирующего оборудования, энергосеть, средства оперативно-диспетчерского управления и нагрузки потребителя.

Для сравнительно небольших автономных систем ключевая проблема – увязка изменяющихся мощностей производства и потребления энергии – может решаться не за счет подключения специально создаваемого резерва генерирующего оборудования (по примеру большой энергетики), а за счет буферного промежуточного накопления полезной энергии на базовых (и ниже) режимах потребления, в достаточном для покрытия пиковых нагрузок количестве.

Принципы работы

Техническая реализация концепции автономной системы энергообеспечения осуществляется на основе следующих положений:

1. Анализ типовых графиков производства и потребления энергии для различных локальных источников показывает, как правило, превышение общего объема возможной выработки над потреблением при существенных колебаниях их мощности. При этом продолжительность режима пикового потребления значительно меньше режима поступления базовой мощности от источника, составляя от нескольких часов до нескольких суток.

Использование промежуточного накопителя, заряжающегося при снижении потребления энергии и отдающего ее при возрастании нагрузки, компенсирует несоответствие графиков производства и потребления энергии.

2. Для выработки электроэнергии с использованием низкопотенциальных источников в составе локальной системы может применяться экологически чистый, специально разработанный новый тип свободнопоточных ветро- и гидроприводов, а также новая конструкция электрогенераторов. Созданные устройства, в отличие от применяемых сегодня в мире, стабильно работают в очень широком диапазоне нагрузок, скоростей потоков и расходов возобновляемых источников. Они унифицированы и высокотехнологичны, что позволяет легко трансформировать их под ветровые или водные нагрузки с независимым или комбинированным использованием. Монтаж таких устройств не требует серьезных подготовительных работ и больших финансовых затрат.

3. Помимо специально разработанных ветро- и гидротурбогенераторов, для работы с АСЭ могут применяться и другие виды генерирующего оборудования. Солнечные батареи, слабые энергосети, дизельные электростанции, а также тягловая (животная) сила могут использоваться в качестве генерирующих источников, при этом их мощность в составе такой энергосистемы может быть на порядок меньше, чем пиковые нагрузки потребителя. Кроме того, к АСЭ могут подключаться микротурбины, малые ГЭС и ветроустановки, обычно требующие обязательной связи с большими энергосистемами. Подключение к энергосистеме существующих автономных установок, работающих на невозобновляемых источниках (уголь, нефть, газ), позволяет значительно повысить их эффективность при экономии привозного топлива, в том числе на модульных котельных – с обеспечением выработки не только тепла, но и электроэнергии. Разработаны схемы дооборудования котельных турбоустановками различного типа для выработки электроэнергии с использованием преимуществ АСЭ по поддержанию стабильных параметров тепло- и электроснабжения.

4. Модульная схема подключения АСЭ позволяет объединять потребителей в энергетический район с созданием локальных сетей. При этом суммарная мощность сети энергорайона во многом будет определяться применяемым типоразмером модуля автономной энергосистемы. Так, используя модуль типоразмером 4 кВт, можно создать энергорайон общей мощностью до 100 кВт, а типоразмером 33 кВт – мощностью до 1000 кВт. Такие типоразмеры позволяют не только удовлетворять практически все требования различных потребителей (производственные, жилищно-коммунальные и пр.), но и полностью унифицировать энергооборудование – от турбоприводов до целых блоков автономной энергосистемы.

Это сокращает затраты на изготовление и транспортировку оборудования, строительно-монтажные работы, сроки ввода объекта в эксплуатацию, создание линий связи с потребителем и т. д. Ремонтные и профилактические работы на генерирующем оборудовании АСЭ могут проводиться без отключения потребителя. Необходимая продолжительность бесперебойного энергоснабжения в таких случаях обеспечивается, по желанию потребителя, за счет установки дополнительных модулей оборудования.

5. Проведенные сравнительные экономические расчеты показывают, что при относительно малых объемах требуемой энергии для снабжения удаленных потребителей автономные энергосистемы с использованием возобновляемых источников более эффективны, чем дизельные электростанции и ЛЭП. Так, экономический эффект от применения АСЭ будет более 600 процентов при сравнении с затратами на эксплуатацию за 10 лет работы дизельной электростанции или ЛЭП аналогичной мощности. Срок окупаемости автономной системы составляет 2‑3,5 года.

Отдача для потребителей, бизнеса и государства
В целом предлагаемая АСЭ с промежуточным накопителем представляет собой новое направление развития малой энергетики, заполняя нишу в секторе автономного электроснабжения потребителей на базе низкопотенциальных возобновляемых экологически чистых источников.

Таким образом, имеются все необходимые концептуальные, экономические и технические предпосылки для создания конкурентоспособных локальных энергетических систем, отвечающих следующим требованиям:
- соответствие режима производства энергии и ее аккумулирования режиму потребления;
- низкая стоимость энергии;
- общедоступность исходных ресурсов;
- высокая надежность и бесперебойность энергоснабжения;
- экологическая безопасность;
- простота обслуживания;
- возможность расширения производства электроэнергии за счет других источников;
- модульная схема, обеспечивающая серийное производство.

Применение АСЭ с промежуточным накоплением энергии позволяет решать задачи энергообеспечения на различных уровнях возникающих проблем.

На государственном (макроэкономическом) уровне – это создание в короткие сроки энергорайонов, удаленных от энергосистем, с незначительными капитальными вложениями в строительство локальных сетей, обеспечение электроэнергией населения в условиях чрезвычайных ситуаций, а также улучшение экологической обстановки.

На региональном уровне – это возможность получения дополнительных мощностей без строительства новых электростанций и ввода дополнительных трансформаторных подстанций.

Для предпринимателей – это получение новых доходов за счет создания предприятий (с возможностью их электроснабжения) в тех местах, где ранее это было экономически невыгодно. Это возможность работы предприятия при отключении электроэнергии (аварии) на линиях электропередачи, а также снижение расходов на электроэнергию за счет ее накопления в режиме использования ночного тарифа.

Предлагаемая полезная модель автономной энергоустановки относится к энергетическим установкам, работающим на основе использования в качестве первичного источника солнечной, ветровой энергии или их комбинации.

Автономная энергоустановка содержит энергоустановку 1 на возобновляемых источниках энергии, состоящую из ветроустановки 2 и/или фотоэлектрической батареи 3, и аккумуляторную батарею 4, систему 5 автоматического управления, обеспечивающую различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя 11 в зависимости от нагрузки к устройствам, входящим в автономную энергоустановку, водородный накопитель 6, подсоединенный к системе 5 автоматического управления и включающий соединенные между собой электролизер воды 7, подключенный к энергоустановке 1 на возобновляемых источниках энергии, ресивер 8 водорода, ресивер 9 кислорода и батарею топливных элементов 10, подключенную к потребителю 11. Технический результат заключается в повышении эффективности использования первичных источников энергии и снижении загрязнения окружающей среды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известны автономные энергоустановки, работающие на базе дизельных или бензо-генераторов и использующие жидкое органическое топливо (см. Заддэ В.В., Никитин Б.А. Влияние состава автономной системы электропитания на эффективность использования бензо-дизель генератора. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве.- М., 2003. -Ч.4. -СС. 96-100).

Основным недостатком известных энергоустановок при их работе непосредственно на потребителя является повышенный расход топлива, обусловленный переменностью нагрузки и связанным с этим отклонением от номинальных режимов работы. Принципиальным недостатком является также загрязнение окружающей среды выбросами продуктов сгорания топлива и топливными контейнерами. Для снижения расхода топлива и сокращения вредных выбросов автономные установки на органическом топливе снабжаются электрохимическими аккумуляторными батареями. В этом случае дизельный или бензо-генератор работает преимущественно на периодическую зарядку аккумулятора в режимах близких к номинальным с пониженным удельным расходом топлива, а электроснабжение потребителя осуществляется при пониженных нагрузках от аккумуляторной батареи, а при повышенных нагрузках совместно от генератора и аккумуляторной

батареи. Такое техническое решение позволяет существенно снизить затраты топлива и загрязнение окружающей среды.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является автономная энергоустановка, содержащая наряду с дизельным или бензогенератором и аккумуляторной батареей энергоустановку, использующую энергию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (энергию ветра - ветроустановка, энергию солнца - фотоэлектрическая батарея или их комбинацию), преобразователи электрического тока, генерируемого ветроустановкой и/или фотоэлектрической батареей, обеспечивающие согласование параметров электрического тока, потребляемого нагрузкой и систему автоматического управления, обеспечивающую оптимальное управление режимами работы перечисленных компонентов автономной энергоустановки с учетом текущей электрической нагрузки (см. С.Dennis Barley, С.Byron Winn. Optimal Dispatch Strategy in Remote Hybrid Power Systems // Solar Energy. 1996. Vol 58, No 4-6. PP. 165-179).

Мощность включаемых в состав энергоустановки ветроустановки, фотоэлектрической батареи или их комбинации зависит от местных климатических условий, имеющихся ресурсов солнечной и ветровой энергии, и определяется на основе технико-экономической оптимизации, обеспечивающей минимальные затраты на энергоснабжение конкретного автономного потребителя.

Система автоматического управления работой данной автономной энергоустановки обеспечивает следующий оптимальный алгоритм электроснабжения потребителя, при котором энергоснабжение потребителя осуществляется с максимальной эффективностью преобразования энергии и, соответственно, с минимальными затратами.

В периоды времени, когда нагрузка потребителя меньше мощности генерируемой энергоустановкой на ВИЭ, питание нагрузки осуществляется от этой энергоустановки. Избытки генерируемой

энергоустановкой на ВИЭ мощности направляются на подзарядку аккумуляторной батареи.

В периоды времени, когда нагрузка потребителя больше мощности генерируемой энергоустановкой на ВИЭ, питание нагрузки осуществляется совместно от этой энергоустановки и аккумуляторной батареи.

В периоды времени, когда аккумуляторная батарея оказывается разряженной ниже определенного допустимого минимального уровня, который зависит от типа аккумуляторной батареи, ее зарядка осуществляется от генератора на органическом топливе. Максимальный уровень зарядки аккумуляторной батареи от генератора на органическом топливе, как правило, выбирается ниже предельно возможного с тем, чтобы обеспечить возможность дозарядки ее от энергоустановки на ВИЭ в период времени, когда генерируемая энергоустановкой на ВИЭ превышает нагрузку потребителя.

В данной автономной энергоустановке затраты топлива на энергоснабжение потребителя могут быть дополнительно снижены за счет использования энергии возобновляемых источников энергии, соответственно уменьшается и количество загрязняющих окружающую среду выбросов. Вместе с тем, сокращение потребления органического топлива за счет наращивания мощности энергоустановок на возобновляемых источниках энергии имеет пределы, обусловленные физическими причинами (сезонная изменчивость поступлений солнечной энергии и ветровых потоков), техническими проблемами, связанными со сложностью создания аккумуляторной батареи большой емкости для эффективного длительного (месяц и более) хранения энергии из-за саморазряда и снижения надежности аккумулятора, включающего большое число электрохимических ячеек, и экономическими соображениями (стоимость такой энергоустановки, начиная с некоторой доли замещения топлива энергией возобновляемых источников (60-70%),

резко возрастает). Таким образом, данная энергоустановка не может обеспечить решения задачи полного исключения использования органического топлива, его периодического завоза и прекращения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу обеспечения полностью автономного экологически чистого энергоснабжения потребителей на базе возобновляемых источников энергии (ветровые и/или фотоэлектрические установки) без использования органического топлива.

Технический результат, который может быть получен от использования заявленной полезной модели, заключается в повышении эффективности использования первичных источников энергии и снижении загрязнения окружающей среды.

Указанный технический результат достигается в автономной энергоустановке, содержащей энергоустановку на возобновляемых источниках энергии, состоящую из ветроустановки и/или фотоэлектрической батареи, аккумуляторную батарею, систему автоматического управления, обеспечивающую различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя в зависимости от нагрузки к устройствам, входящим в автономную энергоустановку, при этом автономная энергоустановка дополнительно содержит водородный накопитель, подсоединенный к системе автоматического управления и включающий соединенные между собой электролизер воды, подключенный к энергоустановке на возобновляемых источниках энергии, ресиверы водорода и кислорода и батарею топливных элементов, подключенную к потребителю. Все входящие в автономную энергоустановку электрические устройства содержат преобразователи электрического тока.

Предлагаемая автономная энергоустановка позволяет обеспечить потребителя при различных нагрузках за счет подключения к нему по заданному алгоритму устройств, входящих в энергоустановку.

Водородный накопитель предназначен для длительного хранения водорода и кислорода, производимых в электролизере в периоды избытка мощности энергоустановки на ВИЭ, при температуре окружающей среды практически без потерь и позволяет генерировать электроэнергию в батарее топливных элементов в периоды недостатка энергии от других источников для питания потребителя. Алгоритм работы автономной энергоустановки может быть различным и устанавливается в зависимости от соотношения потребляемой и генерируемой различными компонентами энергоустановки мощности. Емкость ресиверов, номинальная мощность энергоустановки на ВИЭ, включая ветроустановку и/или фотоэлектрическую батарею, мощности электролизера и батареи топливных элементов определяются на основе оптимизационных технико-экономических расчетов с учетом климатических условий эксплуатации энергоустановки и графиков потребления электроэнергии потребителем, исходя из требуемой надежности энергообеспечения потребителя и минимальной стоимости производимой энергии.

В связи с тем, что батарея топливных элементов является относительно инерционным преобразователем, работающим с максимальной эффективностью в маломаневренных режимах, близких к номинальному, комбинация водородного накопителя с электрохимической аккумуляторной батареей обеспечивает покрытие переменной нагрузки потребителя с максимальной эффективностью. При этом аккумуляторная батарея играет роль краткосрочного (от нескольких часов до нескольких дней), а водородный накопитель - долгосрочного (от недель до нескольких месяцев) аккумулятора энергии.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом.

Автономная энергоустановка содержит энергоустановку 1 на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), включающую ветроустановку

2 и/или фотоэлектрическую батарею 3, аккумуляторную батарею 4, систему 5 автоматического управления, водородный накопитель 6, состоящий из электролизера воды 7, ресивера 8 водорода, ресивера 9 кислорода и батареи топливных элементов 10.

Электрические устройства, входящие в автономную энергоустановку, содержат необходимые преобразователи электрического тока, обеспечивающие согласование токов и напряжений при использовании общей электрической шины, связывающей их между собой и потребителем 11 электрической энергии.

Автономная энергоустановка может работать следующим образом. В периоды времени, когда нагрузка потребителя 11 меньше мощности, генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ, система 5 автоматического управления обеспечивает питание потребителя 11 от этой энергоустановки, а избытки генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ направляет на подзарядку аккумуляторной батареи 4. При обеспечении полного заряда аккумуляторной батареи 4 избытки генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ мощности направляются на электролизер воды 7 с получением газообразных водорода и кислорода, которые аккумулируются соответственно в ресиверах 8 и 9. В периоды времени, когда нагрузка потребителя больше мощности, генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ, питание нагрузки осуществляется совместно от энергоустановки 1 на ВИЭ и аккумуляторной батареи 4. При разряде аккумуляторной батареи 4 до предельно достижимого уровня включается электропитание потребителя 11 от батареи топливных элементов 10, в которую для этого направляется накопленный в ресиверах 8 и 9 водород и кислород.

Заявляемое техническое решение прошло проверку на основе динамического математического моделирования работы солнечно -

ветровой энергоустановки с водородным накопителем в различных климатических условия предполагаемого расположения потребителя.

Полученные результаты моделирования показали несомненные преимущества использования в составе полностью автономных солнечно - ветровых энергоустановок водородного накопителя и реализации различных алгоритмов управления процессами преобразования энергии.

1. Автономная энергоустановка, содержащая энергоустановку на возобновляемых источниках энергии, состоящую из ветроустановки и/или фотоэлектрической батареи, аккумуляторную батарею, систему автоматического управления, обеспечивающую различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя в зависимости от нагрузки к устройствам, входящим в автономную энергоустановку, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит водородный накопитель, подсоединенный к системе автоматического управления и включающий соединенные между собой электролизер воды, подключенный к энергоустановке на возобновляемых источниках энергии, ресиверы водорода и кислорода и батарею топливных элементов, подключенную к потребителю.

2. Автономная энергоустановка, отличающаяся тем, что все входящие в нее электрические устройства содержат преобразователи электрического тока.

Энергоустановка на базе
роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты

Автономная электростанция на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты состоит: из двухмодульного роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла, соосно связанного с электрогенератором, системы управления, нагревателя с теплообменником и охладителя с теплообменником. При использовании различных видов топлива в конструкцию могут входить: устройство для получения синтез-газа, аккумуляторные батареи или конденсаторы, реакторы для получения биогаза, пиролизные установки и т. д.

Энергоустановка на базе РЛДВПТ может работать: в длительном автономном режиме, в одиночном режиме с двухкратными перегрузками. При необходимости возможна параллельная работа с внешней электросетью.

Энергоустановка на базе РЛДВПТ

Автономные энергоустановки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла могут выпускаться серийно, в зависимости от комплектации эти установки монтируются на объекте из отдельных стандартных блоков. Их существенным преимуществом перед теплоэлектростанциями являются:

Энергосбережение достигается значительной экономией топлива за счет оптимальной работы на переменную нагрузку и использование тепла для отопления (когенерация).
Многотопливность заключается в возможности использования широкого спектра первичных энергоносителей (любые газообразные, жидкие и твердые топлива, а также возобновляемые источники энергии).
Экологичность заключается в значительно меньших уровнях шума, вибрации и вредных выбросов (может быть установлена в жилой зоне).

К дополнительным преимуществам относятся:

Легкость монтажа и запуск в работу без больших финансовых и трудовых затрат на проектные, монтажные и строительные работы.
Простота в обслуживании, малые габариты, большой моторесурс, который значительно превышает ресурс лучших российских и зарубежных дизельных генераторов.

Эффективность применения энергоагрегатов на базе РЛДВПТ достигается за счет экономии топлива, низких затрат на обслуживание, продажи избыточной электроэнергии, повышенной точности учета потребления тепла и электроэнергии.
Помимо генерации электричества автономная энергоустановка на базе РЛДВПТ вырабатывает тепло, которое при помощи дополнительного устройства может быть использовано для обогрева жилых и производственных помещений, а также для обеспечения горячей водой. Применение дополнительных теплообменников резко повышает эффективность применения (до 90%) энергоустановок на базе РЛДВПТ и решает проблемы теплоснабжения в холодное время года.