Методология рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей

На правах рукописи

ШЕРЬЯЗОВ

Сакен Койшыбаевич

МЕТОДОЛОГИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ

ТРАДИЦИОННЫХ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

В СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Красноярск – 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО

«Челябинская государственная агроинженерная академия»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Редько Иван Яковлевич

доктор технических наук, профессор

Пантелеев Василий Иванович

доктор технических наук, профессор

Куликова Лидия Васильевна

Ведущая организация ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится 22 апреля 2011 г. в 900 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «___» «________» 2011 г.

Автореферат размещен на сайте www:kgau.ru «__» «_______» 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бастрон А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сельское хозяйство, определяющее продовольственную безопасность страны, относится к числу энергоемких отраслей. Ограниченные запасы органического топлива и непрерывный рост затрат на их использование требуют поиска путей рационального использования энергетических ресурсов. Одним из путей является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Экономический потенциал возобновляемых источников велик, и их доля в мировом энергопотреблении может составить 10-12%. В России экономический потенциал возобновляемой энергии составляет около 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов, что является благоприятным условием для решения энергетических проблем.

Из числа ВИЭ наиболее перспективными по признаку доступности потребителям являются использование солнечной и ветровой энергии. В мире действует большой парк гелио- и ветроэнергетических установок (ГЭУ, ВЭУ) с суммарной мощностью более 200 ГВт. В России, по разным причинам, использование ГЭУ и ВЭУ весьма незначительно.

Таким образом, существует экономико-хозяйственная проблема в объективной необходимости использования ВИЭ в сельскохозяйственном производстве. Её интерпретация в научно-техническую область требует решения двух проблем: определение условий эффективного использования возобновляемых источников и создание эффективных схем совместного использования традиционных и возобновляемых источников для рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения.

Анализ систем энергоснабжения в сельском хозяйстве показывает, что ВИЭ, как правило, рассматривается как дополнительный источник. Тогда система энергоснабжения с использованием ВИЭ должна иметь научно обоснованную структуру для рационального использования энергоресурсов.

Рациональное сочетание потребляемых энергоресурсов может быть определено на стадии проектирования системы энергоснабжения. Однако недостаточная проработка методологических основ и общих методических положений в проектировании энергосистемы с использованием ВИЭ не позволяет выбрать рациональное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов.

В условиях развитой гелио- и ветротехники наиболее актуальными становятся вопросы эффективного их использования путем согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии. Отсутствие научно обоснованных показателей и методов их оценки не позволяют определить условия эффективного использования ВИЭ в системе энергоснабжения.

Настоящая работа посвящена решению научной проблемы теоретического обоснования рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов для эффективного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с учетом потенциала солнечной и ветровой энергии на примере Челябинской области, позволяющих решать задачи структурной оптимизации комбинированной системы энергоснабжения конкретного сельскохозяйственного потребителя.

Работа выполнена в соответствий с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг. «Технологии, оборудование и проекты энергетического, тепло- и хладообеспечения сельского хозяйства, в том числе с использованием солнечной и ветровой энергии», принятой Межведомственным координационным советом РАСХН.

Цель работы. Разработка методологии рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей для снижения затрат на потребляемую энергию.

Объект исследования. Комбинированная система энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием гелио- и ветроэнергетических установок.

Предмет исследования. Взаимосвязи функционирования гелио- и ветроэнергетических установок в комбинированной системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:

1. Провести анализ состояния энергоснабжения в сельском хозяйстве и разработать методологию выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.
2. Разработать показатели и методы оценки использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения путем согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии.
3. Определить энергетические характеристики возобновляемых источников и условия функционирования гелио- и ветроэнергетических установок при раздельном и совместном использовании солнечной и ветровой энергии.
4. Разработать технические решения для согласованного действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения и исследовать режимы их работы путем имитационного моделирования.
5. На основе технико-экономических показателей системы энергоснабжения обосновать оптимальные параметры гелио- и ветроэнергетических установок и условия эффективного энергообеспечения потребителей от ВИЭ.
6. Разработать рекомендации по выбору рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей (на примере Челябинской области).

Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований является системный подход к анализу комплексной схемы энергоснабжения. В работе использованы основные положения теоретической электротехники и теплотехники, электро- и теплоснабжения сельского хозяйства, теории вероятностей и математической статистики, а также методы математического моделирования процессов в системе энергоснабжения, использующей возобновляемые источники, и оптимизации параметров системы.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждаются: применением и адекватностью математических аппаратов при моделировании режимов работы системы энергоснабжения; использованием разработанных пакетов прикладных программ для вычислительного и имитационного экспериментов и анализа полученных данных; удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными.

Научную новизну работы составляют:

– методология рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения;

– показатели и методы оценки использования ВИЭ в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей;

– зависимости показателя энергообеспечения потребителей и замещения традиционных энергоресурсов от основных параметров гелио- и ветроэнергетических установок и энергетических характеристик ВИЭ;

– зависимости энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии для определения условий функционирования ГЭУ и ВЭУ при раздельном и совместном их использовании;

– методы выбора оптимальных параметров ГЭУ и ВЭУ и определения условий эффективного использования ВИЭ.

Практическая значимость работы:

– метод оценки доли замещаемой энергии от ВИЭ для выбора рационального сочетания потребляемых энергоресурсов;

– методика определения энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии при раздельном и совместном их использовании;

– методы выбора оптимальной площади солнечных коллекторов и ветроколеса ВЭУ и определения условий эффективного использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения;

– технические решения для согласованного действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения;

– рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения;

– учебная программа по подготовке студентов по специальности «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства», учебное пособие под грифом УМО и монография.

Реализация результатов исследований:

– результаты исследования используются институтом «Челябинскагропромпроект» для проектирования гелиоустановки; гелиоустановка и на ее базе гелиоветроэнергетическая установка внедрены в АО «Калининское» Брединского района Челябинской области;

– рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов используются МСХ Челябинской, Оренбургской и Департаментом с. х. Курганской областей, ОАО институт «Агропромпроект» и ЗАО «Челябинскагропромэнерго»;

– рекомендации по использованию солнечной и ветровой энергии приняты к реализации ОАО «Государственный ракетный центр имени В.П.Макеева», ОАО «Челябоблкоммунэнерго» и ОАО «Челябэнерго»;

– результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства».

На защиту выносятся следующие положения:

- методология выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей;

- принципы согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии и показатели использования ВИЭ в системе энергоснабжения;

- показатели энергообеспечения потребителей и замещения традиционной энергии в зависимости от основных параметров гелио- и ветроэнергетических установок и энергетических характеристик ВИЭ;

- зависимость оптимальной площади солнечных коллекторов и ветроколеса ВЭУ от технико-экономических показателей системы энергоснабжения и условия эффективного использования ВИЭ;

- методика и результаты оценки энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии;

- результаты оценки доли замещаемой энергии от ВИЭ в зависимости от основных параметров ГЭУ и ВЭУ и энергетических характеристик источника.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-технических конференциях: ЧГАА (ЧИМЭСХ, ЧГАУ) (г. Челябинск, 1988-2010 гг.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1988 г.), СЗНИИМЭСХ (г. Пушкино, СПб., 2002 г.), УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.), КрасГАУ (г. Красноярск, 2010); на научно-технических семинарах и координационных совещаниях «Перспективы применения нетрадиционных источников энергии в АПК» (г. Симферополь, 1989 г.) и «Нетрадиционные электротехнологии в сельскохозяйственном производстве и быту села» (г. Кацивели, 1991 г.); на республиканских научно-технических конференциях «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Киев, 1990 г.) и «Использование солнечной энергии в народном хозяйстве» (г. Ташкент, 1991 г.); на Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (МГУ, г. Москва, 2000 г.); на международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ВИЭСХ, г. Москва, 2000-2010 гг.) и «Аграрная энергетика в XXI веке» (г. Минск, 2001г.); на I Евроазиатской конференции «Энергетика настоящего и будущего» (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 научных работ, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, авторское свидетельство и три патента РФ на изобретение, монография, рекомендации, учебное пособие с грифом УМО.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений; объем диссертации 397 с., в том числе основного текста 307 с., список использованной литературы состоит из 305 источников.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе «Особенности энергоснабжения сельского хозяйства и пути его совершенствования» проанализированы состояние и особенности энергоснабжения сельского хозяйства и пути их совершенствования. Приведены классификация источников энергии и роль возобновляемых источников; опыт использования солнечной и ветровой энергии в энергоснабжении сельскохозяйственных потребителей; принципы эффективного энергообеспечения потребителей и рационального потребления энергоресурсов в системе энергоснабжения; цели и задачи научно-исследовательской работы.

Анализ и классификация существующих источников энергии по виду получаемой полезной энергии позволили определить основные направления их использования. Существующие энергетические ресурсы для некоторых технологических процессов можно рассматривать как взаимозаменяемые с технической стороны и конкурентоспособные с экономической точки зрения. Тогда для технологических процессов можно установить рациональное сочетание потребляемых традиционных и возобновляемых энергетических ресурсов.

В последние годы практически во всех странах мира наращивается выработка электрической и тепловой энергии на базе ВИЭ: солнечной, ветровой, геотермальной, энергии малых рек, биомассы и др. Экономический потенциал ВИЭ в два раза превышает объем годовой добычи органического топлива в мире.

Наиболее перспективными из числа ВИЭ по признаку повсеместной распространенности и доступности являются солнечная и ветровая энергия. В настоящей работе исследуются условия их использования в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Солнечная энергия наиболее широко используется для получения тепла невысокого потенциала, достаточного для горячего водоснабжения и отопления. Суммарная площадь солнечных коллекторов ГЭУ в мире превысила 70 млн кв.м. Ведущие позиции занимают США – 18 млн кв.м, Китай – 17,5 млн кв.м и Япония – 11 млн кв.м.

По данным Международной Ассоциация Ветряной энергетики (WWEA) ветроэнергетика является лидером по сравнению с другими видами ВИЭ. Установленная мощность ВЭУ в мире составляет более 150 ГВт и генерируют около 350 Твт-ч в год, и к 2020 году прогнозируется рост мощности до 2000 ГВт. В РФ эксплуатируются ВЭУ отечественного и зарубежного производства с установленной мощностью около 15 МВт. Потребность России в ветроагрегатах оценивается до 70 тысяч, в т.ч. более 90 % мощностью до 10 кВт.

Анализ опыта совместного использования солнечной и ветровой энергии показывает, что они служат в основном для теплоснабжения потребителей. В России известны примеры использования гелиоветроэнергетических установок для энергоснабжения сельских потребителей.

В нашей стране в развитие солнечной энергетики большой вклад внесли Б.П. Вейнберг, Т.С. Лидоренко, Д.С. Стребков, Б.В. Тарнижевский и др., в развитие ветроэнергетики – Н.Е. Жуковский, В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев и др., а в области использования солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве – Р.А. Амерханов, П.П. Безруких, В.Н. Карпов, Л.А. Саплин, Я.И. Шефтер, Н.В.Харченко, Н.В. Цугленок и др. НИР по использованию ГЭУ и ВЭУ проводились в лабораториях ВИМа, ВИЭСХа, ЦАГИ, ЭНИН и др.

Опыт использования солнечной и ветровой энергии показывает, что они служат в качестве дополнительных источников в системе энергоснабжения с целью экономии органического топлива. Тогда для эффективного замещения топлива необходимо определить условия рационального использования ВИЭ в системе энергоснабжения. Известные методы не позволяют выбрать рациональное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов и, соответственно, создать эффективную систему энергоснабжения.

Для эффективного использования ВИЭ важно согласование режимов поступления и потребления возобновляемой энергии, а также согласованные действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения. Недостаточные исследования в этом направлении требуют разработки методологических основ по эффективному использованию возобновляемых источников в системе энергоснабжения.