Электротехнический комплекс для электроснабжения геологоразведочных работ с использованием солнечной электростанции

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

2. Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой 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 ГАБОВ

диссертационного совета Виктор Васильевич

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 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 вольт-амперных 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 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 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.

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 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 минерально-сырьевой 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.

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.

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 и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ для условий Уронайской геологоразведочной экспедиции.

Рисунок 2 – Графики продолжительности светового дня для июня месяца и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ

Функция sin описывает уравнение движения Солнца, где  – 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:

(1)

где S – минимальное значение плотности потока солнечного излучения; Г – суммарный угол наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ; ф – 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: 51с.ш.  115в.д. Сезонность работ – с апреля по ноябрь месяц включительно.

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

. (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.