Джайлани Автономные системы электроснабжения фермерских хозяйств Египта с использованием возобновляемых источников

На правах рукописи

Ахмед Торки Ахмед Джайлани

Автономные системы электроснабжения фермерских хозяйств Египта с использованием возобновляемых источников энергии

Специальность 05.20.02 – «Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве»

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010 г

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» и ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Научный руководитель	доктор технических наук, академик РАСХН, профессор Стребков Дмитрий Семёнович
Официальные оппоненты	доктор технических наук, профессор Ильюхин Михаил Степанович доктор технических наук, профессор Коломиец Алексей Петрович
Ведущая организация	ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Защита диссертации состоится « 13 » декабря 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д220.044.02 при ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д.16 А, корп. 3, конференц-зал ИНТК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан « 11 » ноября 2010 г.
и размещен на сайте http://msau.ru « 11 » ноября 2010 г

Ученый секретарь

диссертационного совета В.И. Загинайлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Новые сельские регионы в Египте, являются типичными примерами энергоснабжения удаленных потребителей. Наличие большого количества рассредоточенных потребителей, электроснабжение которых может осуществляться только от автономных источников энергии, и проблемы в существующей децентрализованной системе энергообеспечения требуют решения актуальных вопросов развития и оптимизации электроснабжения изолированных потребителей. Таким образом, оптимизация систем энергообеспечения децентрализованных районов Египта с повышенными требованиями к надежности работы источников энергии является весьма актуальной задачей. Внедрение технологий возобновляемой энергетики при рациональном использовании может оказать помощь в энергообеспечении районов с недостаточной топливной базой и плохими транспортными условиям; решить проблему эффективного использования потребляемых ресурсов и вовлечения в энергетический баланс регионов неиспользуемых источников энергии и ресурсов; улучшить экологическую обстановку в местах производства электрической энергии, что будет способствовать ускоренному экономическому развитию регионов и улучшению социально-бытовых условий жизни населения.

Для решения вопросов оптимизации электроснабжения автономных потребителей требуется проведение ресурсных, технико-экономических, экологических и других обоснований целесообразности использования ВИЭ в децентрализованном электроснабжении и масштабов их внедрения в систему электроснабжения.

Целью данной диссертационного исследования является разработка автономных систем комбинированного электроснабжения фермерских хозяйств в Египте с использованием возобновляемых источников энергии и резервной жидко-топливной электростанции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить потребность в электроэнергии автономными сельскими потребителями и климатические условия, главным образом, местные ресурсы возобновляемых источников энергии (ветра и солнца).
2. Разработать комбинированную электростанцию для автономного потребителя на базе солнечной фото-ветроэлектрической установки.
3. Провести оптимизацию и выбор оборудования системы электроснабжения сельских потребителей и исследовать возможность повышения надежности электроснабжения с использованием резервной жидко-топливной электростанции.
4. Провести исследования разработанной комбинированной солнечно-ветродизельной электростанции в реальных условиях эксплуатации.
5. Провести технико-экономический анализ.

Предметом исследования является обеспечение электроснабжения автономных сельских потребителей на основе использования возобновляемых источников энергии.

Объектом исследования является децентрализованная комбинированная солнечная фото-ветроэлектрическая установка, находящаяся в Московской области на ветрополигоне ВИЭСХ с учетом технических, экономических, экологических условий и потенциала ВИЭ на территории области.

Методы исследования.

1. Анализ и обобщение данных, приведенных в сборе работ научно-технической литературе.
2. Методология системных исследований в энергетике.
3. Методы исследования надежности систем энергетики и технико-экономического анализа систем на основе возобновляемых источников энергии.
4. Теории математического моделирования, позволяющей оценивать целесообразность использования различных энергоисточников.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Обоснована эффективность использования комбинированных автономных систем электроснабжения фермерских хозяйств, позволяющая увеличить коэффициент обеспеченности электроснабжения.
2. Разработана математическая модель оптимизации подбора оборудования, необходимого для автономных комбинированных электростанций на основе возобновляемых источников энергии.
3. Получены результаты обследований потенциалов солнечной и ветровой энергии в районах расположения фермерских хозяйств в Египте.
4. Разработана солнечная электростанция с концентратором, позволяющая снизить площадь фотоприемника солнечной электростанции в 3-7 раз.

Получен патент РФ на изобретение № 2396493.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ разработки комбинированной электростанции в климатических условиях Египта.
2. Математическая модель оптимизации выбора оборудования для использования возобновляемых источников энергии в составе комбинированной электростанции.
3. Результаты экспериментальных исследований комбинированной электростанции на базе солнечной фото-ветроэлектрической установки.
4. Результаты разработки солнечной установки с концентраторами.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Разработана автономная комбинированная электростанция для гарантированного электроснабжения автономных потребителей с использованием возобновляемых источников энергии.
2. Предложена методика оптимизации подбора оборудования комбинированной электростанции, обеспечивающая повышение надежности электроснабжения автономного потребителя.
3. Данные рекомендации по расчету параметров автономной солнечно-ветродизельной электростанции.

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается использованием данных анализа научно-технической литературы; методологии системных исследований в энергетике; технико-экономического анализа систем на основе возобновляемых источников энергии; теории математического моделирования, позволяющей оценивать целесообразность использования различных энергоисточников.

Апробация работы. Материалы диссертации были использованы в научном отчете отдела «Возобновляемые источники энергии ГНУ ВИЭСХ 2009». Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на международной научно-технической конференции ГНУ ВИЭСХ (2010); заседании кафедры «Возобновляемая энергетика и электрификация сельского хозяйства» ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина и заседании секции ученого совета ГНУ ВИЭСХ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в журнале «Альтернативная энергетика и экология», 4 статьи в Вестнике ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина (журналы, рекомендованные ВАК), в двух трудах международной научно-технической конференции ГНУ ВИЭСХ (2010) и получен патент РФ на изобретение № 2396493.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 144 страницы, включает 23 таблицы, 57 рисунок и 2 приложения. Список литературы включает 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложено краткое содержание глав диссертации, приведены цель и задачи исследования.

В первой главе рассматриваются современное состояние систем элек­троснабжения на базе ветроэлектрических и солнечных фотоэлектрических станций в мире, системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей в Египте, ресурсы местных источников энергии в Египте, преимущества и барьеры при использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Развитие ветроэнергетики непосредственно связано с общим процессом диверсификации, наблюдаемом сегодня на 16 рынках мира, установленная ветроэнергетическая мощность каждого из которых превышает 1000 МВт, причем в 2007 году таких стран было всего 13. Установленная мощность национальных ветроэнергетических секторов в 32 странах мира превысила более 100 МВт, три года назад этот показатель равнялся 24 странам. В США темпы роста ветроэнергетики составили 50%, а в Китае - 107%. Болгария продемонстри­ровала наибольшие темпы роста ветроэнергетики в мире - 177%, стартовав, практически, с низкого уровня. Кроме того, динамика роста ветроэнергетической отрасли выше средней наблюдалась и на рынках таких стран как Австралия, Польша, Турция и Ирландия.

Достоинством фотоэлектрических СЭС является низкие эксплуатаци­онные расходы 0,07 цента/кВт.ч, и могут устанавливаться в горной местности, на крышах и фасадах зданий, в пусты­нях и в странах с влажным тропическим климатом. Концентраторы увеличи­вают эффективность СЭ и приводят к снижению потребления дорогостояще­го полупроводникового материала на единицу мощности, однако при этом возникают дополнительные расходы на производство концентраторов, систе­мы охлаждения СЭ и системы слежения. Кроме того, концентраторы обычно используют только прямую солнечную радиацию, которая в условиях сред­ней полосы России составляет 50% от суммарной солнечной радиации. Это означает, что концентраторный солнечный модуль будет при одинаковом КПД вырабатывать в 2 раза меньше энергии, по сравнению с солнечным мо­дулем без концентратора. Поэтому солнечные электростанции с концентра­торами необходимо использовать в пустынях и других районах, где прямая солнечная радиация близка к суммарной солнечной радиации, а диффузная компонента солнечной радиации незначительна. Современные технологии полупроводниковой электроники и нанотехнологии позволят увеличить КПД СЭ в ближайшие годы до 25-30% и сни­зить стоимость фотоэлектрических СЭС с концентраторами и кремниевыми СЭ до уровня 2000 долл./кВт.

Системы электроснабжения на территории Египта мож­но разделить по источникам на две основные системы:

1. Системы электроснабжения на базе традиционных источников энергии (ТИЭ): эти системы главном образом зависят от природного газа и используют дизельных электростанций (ДЭС). Эти электростанции обычно подключаются в централизованной сети. Однако маломощные ДЭС, которые используют фермеры, не подключены в сети.
2. Системы электроснабжения на базе ВИЭ: эти системы, главном образом, на базе гидравлических электростанций (ГЭС), ветровых станций и солнечных тепловых электростанций. Несколько из них уже подключены в сети. Что касается СФЭУ, то эти системы ещё мало распространены из-за их высокой стоимости, но следует подчеркнуть, что и на индивидуальном и на государственном уровне возникло несколько направлений применения СФЭУ, в то время как ГЭС и ВЭС до сих пор являются только государственной собственностью.

Основными энергоресурсами в Египте вплоть до 2009 г. были нефть, природный газ, гидравлические энергоресурсы, ветровая энергия и солнечная энергия. Общая выработка электроэнергии в Египте в 2008/2009 составляла 131040 ГВт.ч. Доля ВИЭ была 931 ГВт.ч от ветровых электростанций и 14682 ГВт.ч от гидроэлектростанций, т.е. доля ВИЭ в производстве электроэнергии составила 12%, в том числе 0,7% от ветровых электростанций и 11,3% от гидроэлектростанций.

Во второй главе приведена методология разработки комбинированных электростанций (Комб.ЭС), методы исследования надежности систем энергетики и технико-экономического анализа систем электроснабжения, позволяющей оценивать целесообразность использования Комб.ЭС на основе ВИЭ.

Мощность солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) (РСФЭУ, Втпик), определяется по следующей формуле:

, (1)

где : - номинальная мощность СФЭУ, Вт; - Коэффициент снижения выработки мощности СФЭУ, учитывающий потери электроэнергии без использования АБ; - солнечная радиация, поступающая на фотоэлектрические модули, Вт/м2; - солнечная радиация, поступающая на фотоэлектрические модули при нормальных условиях(1000 Вт/м2); - температурный коэффициент мощность, оС-1; - температура поверхности СФЭУ, оС; - температура при нормальных условиях (25оС).

Выработка электроэнергии от СФЭУ выражается следующим образом:

, (2)

При использовании АБ в системе нужно учитывать потери в зарядном устройстве и АБ. Таким образом, номинальная мощность СФЭУ определяется выражением:

, (3)

где: - расчётные среднесуточные освещённости в пиковых часах при стандартной солнечной радиации , определяющиеся выражением:

, (4)

- среднесуточные солнечные часы, ч; КСФЭУ- общий коэффициент, учитывающий все потери при передаче энергии от ФЭУ к потребителю, который определяется по формуле:

, (5)

- КПД зарядного устройства АБ; - КПД АБ.

Таким образом, номинальная мощность СФЭУ определяется следующим образом:

, (6)

где: Н - величина суточного потребления электроэнергии в доме (Вт.ч/сутки); - номинальная мощность прибора, Вт; - суточный режим эксплуатации бытового прибора, ч/сутки;

С одной стороны, средняя мощность на валу ВЭУ может быть определена из выражения:

, (7)

где: - коэффициент полезного действия ВЭУ; - плотность воздуха на уровне ступицы ветроколеса (кг/м3); vмин - среднемесячная скорость ветра на уровне ступицы ветроколеса, м/с (минимальная в пределах выбранного промежутка времени); - коэффициент распределения скорости ветра; - ометаемая площадь ветроколеса, м2;

С другой стороны:

, (8)

где: tсуm_экс - число часов в сутки, в течение которых эксплуатируется ВЭУ, ч; Квэу - общий коэффициент, учитывающий все потери при передаче энергии от ВЭУ к потребителю, который определяется по формуле:

, (9)

-коэффициент, учитывающий ухудшение номинальных характеристик ВЭУ из-за влияния погодных условий; - КПД инвертора.

Таким образом, получим следующую формулу для определения минимальной требуемой ометаемой площади ветроколеса:

, (10)

ZВЭУ - коэффициент (кг.ч/м3), который определяется выражением:

, (11)

Если КПД ВЭУ составляет около 0,25; число часов в сутки, в течение которых эксплуатируется ВЭУ 24 часа, плотность воздуха 1,225 кг/м3 и распределение скоростей ветра за год имеет типичный характер т.е. , то величина ZВЭУ составит около7 кг.ч/м3.

Минимальная требуемая мощность СФЭУ в комбинированной электрической установке для автономного потребителя определяется следующим образом:

, (12)

- относительный коэффициент комбинированной системы, Вт/м2 который выражается:

, (13)

где: - минимальные расчётные среднесуточные освещённости, пиковых часов; - максимальные расчётные среднесуточные освещённости, пиковых часов.

Ометаемая площадь ветроколеса выражается следующим образом:

(14)

Расчетная ёмкость АБ (qАБ) для гарантированного электроснабжения определяется по формуле:

, (15)

где: КЗЭ - коэффициент запаса энергии АБ КЗЭ> 1,0; Tрез - время резервного электроснабжения, сутки;Dур - коэффициент уровня допустимого разряда АБ (0,5

Жидко-топливная электростанция (ЖТЭ) является резервным источником энергии, повышающим надёжность автономной системы в условиях отсутствия достаточной солнечной радиации или ветра, а так же осуществляющий зарядку АБ. Расчет требуемой мощности ЖТЭ проводится следующим:

(16)

где: - годовая выработка электроэнергии ВЭУ, кВт.ч/г; - годовая выработка электроэнергии СФЭУ, кВт.ч/г; - необходимая выработка электроэнергии ЖТЭ, кВт.ч/г; - годовое потребление электроэнергии, кВт.ч/г.