Размещено на http://www.allbest.ru/

КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621-523.8

Автоматизація управління автономним енергопостачанням з використанням відновлюваних джерел енергії в умовах селянського (фермерського) господарства

Спеціальність 05.13.07 -

Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Жесан Роман Володимирович

Кіровоград - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації виробничих процесів Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Пащенко Василь Федорович, Кіровоградський державний технічний університет, завідувач кафедри автоматизації виробничих процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ладанюк Анатолій Петрович, Український державний університет харчових технологій, завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій;

кандидат технічних наук, доцент Плєшков Петро Григорович, Кіровоградський державний технічний університет, завідувач кафедри електропостачання промислових підприємств та сільського господарства.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, м. Київ, кафедра автоматизації сільськогосподарського виробництва.

Захист відбудеться 9 листопада 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 в Кіровоградському державному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського державного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Автореферат розісланий 3 жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В. М. Каліч.

АНОТАЦІЯ

Жесан Р. В. Автоматизація управління автономним енергопостачанням з використанням відновлюваних джерел енергії в умовах селянського (фермерського) господарства - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів - Кіровоградський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Кіровоград, 2001.

Дисертація містить результати теоретичних та експериментальних досліджень по удосконаленню процесу енергопостачання фермерського господарства в умовах України шляхом створення системи автоматичного керування системою енергопостачання автономного споживача на основі сонячної установки, вітроустановки, електроагрегата з двигуном внутрішнього згорання та акумулятора.

Запропонований спосіб оптимізації структури системи енергопостачання, виходячи з природно-кліматичних факторів та рівня енергоспоживання. Здійснено технічну реалізацію і впровадження системи автоматичного керування на базі однокристальної мікроЕОМ сімейства МК51, приводяться дані про її ефективність в процесі експлуатації.

Ключові слова: система автоматичного керування, однокристальна мікроЕОМ, система енергопостачання, автономний споживач, сонячна установка, вітроустановка, акумулятор, відновлюване джерело енергії, енергопотенціал.

АННОТАЦИЯ

Жесан Р. В. Автоматизация управления автономным энергоснабжением с использованием возобновляемых источников энергии в условиях крестьянского (фермерского) хозяйства. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов - Кировоградский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Кировоград, 2001.

Обоснована актуальность работы, освещено состояние вопроса, цель и задачи исследования.

Проведенный анализ позволяет утверждать, что социально-экономические процессы, происходящие в национальных аграрном и энергетическом секторах экономики, требуют новых подходов к энергообеспечению небольших хозяйств в АПК. Предлагается решать эту задачу при помощи систем энергоснабжения автономного потребителя на основе комбинации возобновляемых и не возобновляемых источников энергии. В качестве первичных преобразователей энергии могут быть использованы солнечная установка, ветровая установка и установка с двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, целесообразно применение аккумуляторов.

Математическим и программным моделированием доказано, что объединение в автономную энергосистему нескольких источников позволит полностью удовлетворить запросы потребителя в энергии и воде.

Процесс управления энергоснабжением фермерского хозяйства в условиях Украины может быть существенно усовершенствован путем создания системы автоматического управления системой энергоснабжения автономного потребителя. Поскольку использование возобновляемых источников энергии и управление ними требует оценки энергопотенциалов этих источников, в работе изложены принципы таких оценок.

На основе данных оценок сформированы дискретные карты энергетических потенциалов солнечной и ветровой энергий территорий Украины по сезонам. Для условий Кировоградского региона по данным метеонаблюдений получены вероятностные характеристики ветрового режима. Предложен способ оптимизации структуры системы энергоснабжения, исходя из природно-климатических факторов и уровня энергопотребления.

Осуществлена техническая реализация и внедрение системы автоматического управления на базе однокристальной микро ЭВМ семейства МК51, приводятся данные об её эффективности в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: система автоматического управления, однокристальная микро ЭВМ, система энергоснабжения, автономный потребитель, солнечная установка, ветроустановка, аккумулятор, возобновляемый источник энергии, энергопотенциал.

SUMMARY

Zhesan R. V. Automation of control of autonomous power supply with the use of renewable energy sources under farm conditions. - Manuscript.

Thesis for the degree of the candidate of technical sciences by specialty 05.13.07 - automation of technological processes. - Kirovograd State Technical University. Ministry of Education and Science of Ukraine, Kirovograd, 2001.

The dissertation contains theoretical and experimental investigation results on the improvement of farm energy supply process in Ukraine by creating an automatic system to control the energy supply grid for an autonomous consumer on the basis of a solar station, wind station, electric unit with a combustion unit and accumulator.

Taking into account natural and climatic factors and the level of energy supply, a method to optimize the structure of the energy supply system is proposed. An automatic control system on the basis of a single-chip microcomputer of the assemblage МК51 was manufactured and applied in industry.

Key words: automatic control system, single-chip microcomputer, energy supply grid, autonomous consumer, solar station, wind station, accumulator, renewable source, energy potential.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нестача енергетичних ресурсів в державі та всілякі регулярні й аварійні відключення від енергопостачання значних територій, як правило в сільській місцевості, стає справжнім лихом для національного аграрного сектора. Від раптових відключень страждають не лише люди; страждають біологічні об'єкти сільського господарства - тварини та рослини. Як наслідок, падає продуктивність праці, врожайність, обсяги виробництва в тваринництві. В той же час все більшою стає потреба в якісному енергопостачанні АПК, де відбуваються процеси докорінного реформування сільськогосподарського виробництва: земля отримує власника, а великі господарства подрібнюються. Для зменшення залежності розпорошених селянських господарств від централізованого енергопостачання, яке нині характеризується майже щоденними кількагодинними несподіваними відключеннями, пропонується використовувати автономні системи енергопостачання (СЕП). Аналіз світових тенденцій розвитку вказаних систем показує, що найбільш сучасними є СЕП автономного споживача (СЕПАС) із використанням відновлюваних джерел енергії (ВДЕ). Причому для того, щоб не відволікати споживачів від основної діяльності, СЕПАС повинні працювати в автоматичному режимі.

Тому дослідження, спрямовані на розробку системи автоматичного керування (САК) процесом автономного енергопостачання селянського (фермерського) господарства СЕПАС з використанням ВДЕ, на сьогодні є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Результати роботи використані в Програмі соціально-економічного розвитку Кіровоградської області на 2001 рік, підготовленій обласною державною адміністрацією, затвердженій рішенням сесії обласної ради 16 січня 2001 р. №205.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є вдосконалення процесу забезпечення енергією фермерського господарства в умовах України за рахунок створення системи автоматичного керування системою енергопостачання автономного споживача з використанням відновлюваних джерел енергії.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі.

Виявити особливості системи енергозабезпечення фермерського господарства з використанням ВДЕ та встановити необхідні зв'язки для перерозподілу енергії.

Створити математичну модель СЕПАС.

Створити структурну схему СЕПАС з використанням кількох енергоджерел, враховуючи особливості кожного з них та можливість акумулювання енергії.

Визначити вимоги до САК СЕПАС та створити її математичну модель.

Визначити енергетичні потенціали та особливості сонячної енергії для кожного регіону України з урахуванням його географічних та кліматичних умов.

Визначити енергетичні потенціали та особливості вітрової енергії для кожного регіону України з урахуванням його географічних та кліматичних умов.

Обрати критерії оптимальності для оцінки СЕПАС із ВДЕ і провести комп'ютерне моделювання її роботи, за результатами якого визначити основні параметри складових частин системи.

Створити структурну схему САК СЕПАС із ВДЕ, використовуючи отримані значення сонячного та вітрового потенціалів територіальних зон України; провести її аналіз з метою визначення алгоритму функціонування.

Реалізувати САК СЕПАС та провести її дослідження.

Визначити результативність впровадження СЕПАС із ВДЕ та САК і умови її конкурентоспроможності з традиційною енергосистемою.

Об'єкт дослідження - процес енергопостачання засобами СЕПАС із відновлюваними джерелами енергії.

Предмет дослідження - САК системою енергопостачання з відновлюваними джерелами енергії для фермерського господарства, як автономного споживача, в умовах України.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на методах обробки статистичних даних, методиці планування експерименту, методологічних принципах системного аналізу та синтезу, теоретичних положеннях теорії автоматичного керування. Експериментальні дослідження виконувалися за допомогою серійних вимірювальних пристроїв із використанням розробленої лабораторної установки. Моделювання процесів та розрахункова частина дослідження виконувалися на IBM-сумісних ПЕОМ із процесором Intel^® pentium^®-233MMX^™ за допомогою внутрішніх можливостей сучасних пакетів, розробки та експлуатації моделюючих і розрахункових програм.

Наукова новизна одержаних результатів. Новостворені математичні моделі СЕПАС та САК нею, що відрізняються багатомірністю, наявністю нелінійностей і динамічних змінних, можуть бути використані для опису інших автономних енергосистем з різною кількістю первинних перетворювачів. На їх основі будуються алгоритми функціонування САК СЕПАС. енергопостачання фермерський автономний сепас

Визначені критерії оптимізації структури СЕПАС з використанням ВДЕ для умов конкретного регіону.

Вперше сформовано дискретні карти сонячних енергетичних потенціалів України за сезонами, які є джерелом інформації при проектуванні систем з ВДЕ.

Засобами сучасного програмного забезпечення розроблено новий метод розрахунку і побудови дискретних карт енергетичних потенціалів вітрової енергії. Новостворені карти дозволяють визначити вітроенергопотенціали будь-якої місцевості України за сезонами при розробці систем енергопостачання з відновлюваними джерелами.

Розроблені структурна схема СЕПАС з використанням ВДЕ, алгоритм керування нею, а також структурна та функціональна схеми САК можуть бути використані для розробки нового програмного забезпечення подібних СЕПАС із САК.

Практичне значення одержаних результатів. Сформовані карти сонячного та вітрового потенціалів України дозволяють оцінити перспективність використання для умов країни вітрової та сонячної енергії. Дискретність карт є зручною для використання обчислювальної техніки.

Запропонований спосіб оптимізації структури СЕПАС фермерського господарства дозволяє вибрати економічно вигідний варіант компонування системи.

Підхід по оптимізації кутів нахилу сонячної установки у складі СЕПАС дозволяє відмовитись від використання системи слідкування за положенням Сонця і зменшити вартісні показники автономної енергосистеми.

Вперше представлені режимні характеристики можливого отримання енергії від вітрового потоку в умовах Кіровоградського регіону, що базуються на методах статистичного аналізу результатів метеоспостережень в конкретній місцевості і можуть бути використані в техніко-економічних розрахунках при проектуванні енергосистем з вітродвигунами.

На основі розроблених структурної і функціональної схем САК СЕПАС розроблена принципова схема САК на базі однокристальної мікроЕОМ сімейства МК51.

Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі автоматизації виробничих процесів Кіровоградського державного технічного університету в курсах “Енергетичні засоби у сільському господарстві” та “Автоматизація технологічних процесів”.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком роботи автора. В роботах, написаних у співавторстві, авторові належить наступне.

В роботі [3] здобувачем запропонований новий метод визначення вітрового енергетичного потенціалу України за даними спостережень обмеженої кількості метеостанцій. У роботі [5] розроблено математичну модель комбінованого геліовітроенергетичного агрегату, який є складовою частиною системи енергопостачання селянського (фермерського) господарства, та запропоновано її використання при створенні САК системою енергопостачання. В науковій праці [6] здобувач систематизував кліматичні та технічні фактори, що суттєво впливають на роботу сонячних і вітрових установок у складі комбінованого геліовітроенергетичного агрегату і повинні враховуватись при створенні САК, пов'язав їх з особливостями Кіровоградського регіону. В роботі [10] проаналізовано перспективи використання відновлюваних джерел і зроблено висновок про необхідність проведення комплексу теоретичних та практичних досліджень з метою визначення енергетичних характеристик і вартісних показників установок із ВДЕ для різних регіонів України. В праці [11] узагальнено огляд можливих схем генерування у вітроустановках.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи були заслухані й обговорені: на 1-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (ДУ “Львівська політехніка”, м. Львів, 16-19 червня 1998 р.); 2-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії”, присвяченій 100-річчю кафедри ”Теплотехніка і теплові електричні станції” (ДУ “Львівська політехніка”, м. Львів, 2-4 червня 1999 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Комп'ютерні технології в науці, освіті та промисловості” (Національна гірнича академія України, м. Дніпропетровськ, 24-24 травня 2001 р.); 1-й Міжнародній науково-практичній конференції “Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні” (Львівський ЦНТЕІ, м. Львів, 31 травня - 1 червня 2001 р.) та на щорічних науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського державного технічного університету (1999-2001 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 13 друкованих працях. Серед них 2 статті у наукових журналах України та 11 статей у збірниках наукових праць.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку літератури з 181 найменування, додатків. Загальний обсяг дисертації - 207 сторінок, у тому числі 1 таблиця та 32 рисунка. Список використаних джерел та додатки займають 74 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладено основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз особливостей процесу енергопостачання сільськогосподарського виробництва як галузі автоматизації у сучасних умовах, розглянуто об'єкт та предмет дослідження. Відзначено, що значення електроенергії в агропромисловій сфері постійно зростає, а реформування галузі призвело до подрібнення крупних виробників і збільшення ролі невеликих фермерських господарств в економіці держави. Робиться висновок про те, що кризові явища в національному енергетичному комплексі, монополізм енергокомпаній та розподіленість новостворених господарств на великих територіях спонукають до пошуку альтернативи традиційній енергосистемі. На основі світового досвіду висувається гіпотеза про можливість альтернативного енергозабезпечення за допомогою СЕПАС із ВДЕ.

В загальному вигляді структура СЕПАС може бути зображена як сукупність первинних перетворювачів енергії; системи стабілізації параметрів, перетворення та перерозподілу; пристроїв акумулювання; споживачів енергії, з'єднаних лініями електропередачі. Система працює завдяки перетворенню потоків енергії, що надходять ззовні.

Гіпотетично, на основі аналізу кліматичних та фізико-географічних умов України, в якості первинних перетворювачів пропонується взяти:

перетворювач сонячної енергії;

перетворювач вітрової енергії;

перетворювач хімічної енергії палива - електроагрегат (ЕА) з двигуном внутрішнього згорання (ДВЗ).

Оскільки найзручніша для використання та перетворення - електрична енергія, кінцевою метою всіх перетворень є одержання саме електроенергії. Тому головну частину СЕПАС складає комбінований геліовітроенергетичний агрегат (КГВЕА).

Біологічні об'єкти сільського господарства вимагають обов'язкового забезпечення водою, що потребує введення до складу СЕПАС системи водопостачання.

Структурна схема СЕПАС наведена на рис.1.

Абстрагування від фізичної суті процесів і опис принципів роботи СЕПАС за структурною схемою у символічній, знаковій формі дозволили створити математичну модель СЕПАС у неперервній та дискретній формі. Кожна з форм моделі налічує 16 співвідношень. Через обмеженість обсягу автореферату матмодель СЕПАС не наводиться.

Оскільки СЕПАС не повинна відволікати фермера від занять сільськогосподарською працею, вона має бути обладнана САК.

На основі математичної моделі СЕПАС створено модель такої САК нею, яка формує характерні для даної енергосистеми параметри:

u - ДВЗ запустити (“1”) чи відключити (“0”);

_ частка вхідного потоку електричної енергії, яка спрямовується на акумулятор і споживачеві (0 ;

(1 - - частка вхідного потоку електричної енергії, яка спрямовується на водяний насос;

- частка потоку електричної енергії, яка спрямовується на підзарядку акумулятора (0 ;

(1 - - частка потоку електричної енергії, яка спрямовується споживачеві;

- частка накопиченої у акумуляторі електричної енергії, що спрямовується споживачеві (0 ;

- частка потоку води від водяного насосу, яка спрямовується на поповнення запасу води у водяному акумуляторі (0 ;

(1 - - частка потоку води від водяного насосу, яка спрямовується споживачеві;

ж - частка наявної у водяному акумуляторі води, що спрямовується споживачеві (0 ж .

Математична модель САК СЕПАС із ВДЕ має вигляд:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

де X = X₁ + u ·X₂ - повний потік енергії, виробленої СЕПАС, який складається з енергії, виробленої ВДЕ ( X₁ ) та енергії, виробленої ЕА з ДВЗ (u ·X₂);

Y - потреби в енергії;

Н - коефіцієнт передачі насосу;

Z - потреби у воді;

Є - рівень заряду електрохімічного акумулятора;

V - рівень води у водяному акумуляторі.

Математична модель САК відзначається багатомірністю, наявністю нелінійностей та динамічних змінних. Моделювання довело правильність вибору первинних перетворювачів, тобто поєднання перетворювачів ВДЕ та ЕА з ДВЗ.

Адекватність розроблених математичних моделей визначається способами реалізації окремих складових СЕПАС та САК нею. Тому виникає необхідність розглянути весь спектр існуючих технічних засобів, що можуть бути використані при побудові розглянутих систем, дослідити режим надходження сонячної радіації й вітровий режим у місці застосування та виявити всі фактори, що впливають на роботу основних елементів та їх взаємодію.

У другому розділі проведено аналіз існуючих реалізацій перетворюючих елементів СЕПАС для сільськогосподарських виробників в умовах України.

Короткий опис загальних положень перетворення енергії сонячних променів, вітрового потоку та палива дозволив зробити висновок, що в якості первинних перетворювачів для фермерської СЕПАС повинні бути обрані фотоелектричний перетворювач - сонячна батарея (СБ), вітроелектрична установка (ВЕУ) та ЕА з ДВЗ - дизель-генератор. На основі аналізу літературних джерел, інформації виробників і реалізаторів обладнання та відомостей з мережі Internet описані типові існуючі сучасні моделі первинних перетворювачів.

Велика номенклатура виробів дозволяє варіювати у широких межах конструкцією та параметрами СЕПАС, тому кожна така система повинна комплектуватися в залежності від конкретних географічних та кліматичних умов експлуатації. Доцільним при розробці конкретної СЕПАС із ВДЕ є попереднє комп'ютерне моделювання її роботи в прив'язці до географічно-кліматичних умов місця з метою оптимізації характеристик її основних елементів та САК нею. Перед проектуванням необхідно дослідити режими надходження сонячної енергії та вітру у місцях застосування СЕПАС із ВДЕ.

Третій розділ присвячено експериментальним та практичним дослідженням з метою визначення енергетичних потенціалів сонця та вітру, факторів, що суттєво впливають на роботу первинних перетворювачів ВДЕ та перевірці гіпотез, висловлених у попередніх розділах.

При проектуванні об'єктів малої і великої енергетики та систем керування ними на етапі техніко-економічного обґрунтування виникає потреба в оцінках зміни режиму ВДЕ в часі та просторі. Причому всі дані про ці режими необхідно наводити у вигляді енергетичних характеристик, які зручно використовувати у подальших розрахунках. Енергетичні характеристики ВДЕ і їх зміни тісно пов'язані з комплексом фізико-географічних умов. Керуючі впливи, сформовані САК СЕПАС, повинні забезпечувати якнайефективнішу роботу системи у конкретних географічно-кліматичних умовах.

Оскільки метеостанціями України спостереження за сонячними енергохарактеристиками не ведеться, мають використовуватися непрямі способи оцінки кількості наявної сонячної енергії. З багатьох існуючих, обрано аналітичний вираз, запропонований у 1997 році А. Джумою, за яким можна визначити густину потоку сонячного випромінювання (Вт/м²) в конкретній місцевості:

, (9)

де - висота Сонця над горизонтом;

H - середня висота місцевості над рівнем моря.

За виразом (9) були отримані дискретні карти енергетичних потенціалів сонця за сезонами. Для цього фізична карта України масштабу 1:4500000 була розбита на ділянки (дискрети) із сторонами 0,25 географічних градуса. Всього таким чином було отримано 1325 ділянок площею близько 500 км² кожна. Знаючи в кожній з дискрет середню висоту місцевості над рівнем моря та визначивши за загальновідомими методиками середню висоту сонцестояння за сезонами, можна одержати карти, в яких кожній з дискрет відповідає певне значення сонячного енергопотенціалу. Такі карти зручні для застосування обчислювальної техніки, але більш звичними для сприйняття є карти-схеми, на яких різними кольорами зображені зони із різними енергопотенціалами. Такі сезонні карти-схеми території України були отримані з дискретних карт засобами програмного пакету Microsoft^® Excel 97.

В якості факторів, що суттєво впливають на роботу сонячної установки, були відзначені: І - густина потоку сонячного випромінювання; А_б - площа поверхні СБ; и - сумарний кут між напрямком на Сонце і нормаллю до площини батареї; з - ККД фотоелементів; р - коефіцієнт прозорості атмосфери; о_с - сумарний фактор, що враховує особливості сонячної батареї і можливої деградації її параметрів.

Для зменшення вартісних характеристик СЕПАС пропонується не комплектувати СБ дорогими системами слідкування за положенням Сонця, а застосовувати щомісячну оптимізацію кутів нахилу. Обчислено оптимальні кути нахилу приймачів сонячної енергії для обласних центрів України та столиці АР Крим.

Був запропонований підхід до оцінки кількості наявної вітрової енергії на території України. Він базується на проведених М. М. Волевахою та М. І. Гойсою багаторічних спостережень за вітром на 97 метеостанціях. Ними була складена таблиця середніх швидкостей вітру різних фізико-географічних зон країни за сезонами. Енергопотенціал вітру або густина потоку вітрової енергії (Вт/м²) може бути визначена за співвідношенням

(10)

де V - швидкість вітру, м/с;

k - сезонний коефіцієнт, кг/м³ (0,559 для зими; 0,527 для весни та осені; 0,508 для літа).

Нанісши на вже розбиту нами раніше на дискрети фізичну карту України масштабу 1:4500000 кордони фізико-географічних областей так, щоб вони проходили по межах ділянок, визначимо сезонні енергопотенціали вітру в кожній з 38 отриманих дискретних областей. Одержані таким чином карти піддаються експоненціальному згладжуванню (апроксимації), оскільки інакше спостерігаються значні перепади потенціалів між сусідніми фізико-географічними областями. Для апроксимації використовуються значення попередньо отриманих енергопотенціалів в кожній дискреті та 4 сусідніх із нею. Таким чином формуються карти вітрових енергетичних потенціалів України за сезонами. Для зручності сприйняття, засобами пакету Microsoft^® Excel 97 з дискретних карт отримані карти-схеми енергопотенціалів вітру за сезонами.

Для умов Кіровоградського регіону на основі даних метеоспостережень були одержані імовірнісні характеристики вітрового режиму. Засобами програмного пакету STATISTICA^® отримані аналітичні вирази для розподілу імовірності Ф_V появи вітру із заданою швидкістю та із швидкістю, більшою за задану Ф_V>V' :

(11)

або

(12)

де k = 1,908785 та c = 4,413319 - параметри розподілу.

В якості факторів, що суттєво впливають на роботу ВЕУ названі: Р - потужність вітрового потоку (енергопотенціал вітру, помножений на площу, що обмітається вітроколесом); з_ген - ККД генератора; о - коефіцієнт використання енергії вітру.

На основі всього викладеного вище було розроблено алгоритм функціонування СЕПАС із ВДЕ, який повинна забезпечувати її САК (рис. 2).

За цим алгоритмом на основі даних про кількісні та якісні показники роботи елементів СЕПАС (інтенсивність ВДЕ, витрати пального ЕА з ДВЗ, продуктивність насосу, матеріальні витрати тощо) було проведене комп'ютерне моделювання роботи СЕПАС із ВДЕ та САК для середнього дня кожного місяця у макетному селянському (фермерському) господарстві встановленою потужністю 15 кВт в умовах Кіровоградського регіону. Воно дозволило підібрати оптимізований варіант комплектуючих для запропонованої схеми СЕПАС в обраному регіоні.

Подібним способом, з метою оптимізації, може бути промодельована робота СЕПАС у будь-якому регіоні.

В четвертому розділі розроблені структурна, функціональна та принципова схеми САК СЕПАС із ВДЕ та проведено випробовування її працездатності.

Система керування забезпечує виконання таких функцій: збір інформаційних параметрів від датчиків; обробку отриманої інформації та прийняття рішення; формування керуючих сигналів; вивід візуальної інформації про стан системи. Структурна схема такої САК на основі однокристальної мікроЕОМ наведена на рис. 3.

В зв'язку з тим, що обладнання, необхідне для створення СЕПАС, є досить дороговартісним, випробовування працездатності САК проводились на спеціально створеному лабораторному стенді засобами фізичного моделювання процесів, що протікають в енергосистемі. За допомогою потенціометрів задавалась кількість енергії, виробленої СБ, ВЕУ, ЕА з ДВЗ та електрохімічним акумулятором. Ці пристрої моделювалися у відповідності з паспортними даними конкретних виробів. За основу моделювання метеоситуації для перетворювачів ВДЕ взяті матеріали журналів-щоденників погоди аерометеостанції м. Кіровоград за 1996-1997 рр. Моделювання метеоситуації робилося за даними 4-5 днів кожного місяця року, вибраних довільно, для яких бралися щогодинні відомості про швидкість вітру, хмарність та години сходу й заходу Сонця. Всього промодельовано цілодобову ситуацію за 50 днів. В усіх 1200 випадках САК СЕПАС продемонструвала повну працездатність у відповідності з вимогами до неї та алгоритмом роботи СЕПАС. Візуалізація режимів роботи відповідала реальним процесам. Під час створення ненормальних або передаварійних режимів роботи спрацьовувала аварійна сигналізація.

Виробничі випробування експериментального дослідного зразка САК системою енергопостачання були проведені у 2000 р. на базі Давидівського відділку ЗАТ “Агрофірма “Ятрань” в Голованівському районі Кіровоградської області. Вони довели працездатність створеної САК, її універсальність (можливість управління СЕП із різними джерелами енергії) та реалізацію САК основних положень теоретичних та експериментальних досліджень, проведених автором.

Розділ п'ятий присвячений визначенню результативності впровадження СЕПАС із ВДЕ та САК і умов її конкурентоспроможності з традиційною енергосистемою.

Ґрунтовний аналіз показав, що традиційна енергосистема має менші річні поточні витрати та собівартість енергії. Проте, потребує більших одноразових капітальних витрат, що не кожен з фермерів може собі дозволити у сучасних економічних умовах. Крім того, в кризових умовах традиційна енергосистема не може гарантувати безперервності енергопостачання, а це є досить суттєвим при обслуговуванні біологічних об'єктів.

Техніко-економічні розрахунки дозволили визначити умови ефективності застосування СЕПАС із ВДЕ та САК в порівнянні з традиційною мережею за їх найважливішими показниками: капіталовкладеннями та річними витратами виробництва. СЕПАС із ВДЕ та САК ефективна, якщо збитки від перерв в енергопостачанні традиційною системою перевищують 67,6 тис. грн. на рік.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В результаті проведених теоретичних та практичних досліджень створено систему автоматичного керування системою енергопостачання на основі кількох джерел енергії для умов фермерського господарства, визначений алгоритм її функціонування та параметри.

Розроблена САК СЕПАС дозволяє задовольнити (у відповідності з графіками навантажень) потреби типового автономного фермерського господарства в електроенергії та воді в умовах зміни природних факторів, характерних для України, шляхом взаємної компенсації диспропорцій вихідних потужностей сонячної установки, вітрової установки і електроагрегата з ДВЗ; підвищує надійність енергопостачання та гарантованість своєчасного задоволення потреб.

Дослідженнями, що проведені засобами існуючого та розробленого програмного забезпечення на основі статистичних даних метеостанцій України, встановлено, що сонячний потенціал територій країни перебуває в межах 439…827 Вт/м². Енергопотенціал сонця будь-якого регіону може бути визначений за допомогою розроблених дискретних карт як без, так і з застосуванням комп'ютерної техніки. Знання сонячного потенціалу дозволяє попередньо оцінити доцільність застосування в обраній місцевості конкретної сонячної установки із системою керування.

Результати досліджень показують, що вітровий потенціал територій України знаходиться в межах 3…227 Вт/м². Він може бути визначений для будь-яких територій держави за допомогою розроблених дискретних карт (як в ручному режимі, так і з застосуванням комп'ютерної техніки), що дає змогу попередньо оцінити доцільність застосування в обраній місцевості конкретної вітроустановки, керованої САК.

Засобами математичного та комп'ютерного моделювання визначено критерії оптимальності та оптимізовано параметри системи енергопостачання автономного споживача для умов Кіровоградського регіону. Параметри основних складових системи енергопостачання макетного господарства повинні бути наступними: площа поверхні, що обмітається вітроустановкою - 30 м²; площа поверхні сонячної установки - 10 м²; потужність електроагрегата з двигуном внутрішнього згорання - 24 кВт; потужність електроакумулятора - 1 кВт.

Встановлено, що застосування системи енергопостачання з використанням енергії відновлюваних джерел та системи автоматичного керування є перспективним. Собівартість 1 кВт*год енергії становить 0,45 грн., що вища за існуючі нині тарифи на електроенергію, але з урахуванням підвищення надійності енергопостачання, що зменшує втрати продукції, ця собівартість є прийнятною.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Жесан Р. В. Концепція автономної системи енергопостачання з використанням відновлюваних джерел енергії та системи автоматичного керування нею // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету / техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. / Вип. 8. - Кіровоград, КДТУ, 2001. - С. 117-120.

Жесан Р. В. Комп'ютерне моделювання роботи системи енергопостачання автономного споживача із системою автоматичного керування. // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету / техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. / Вип. 9. - Кіровоград, КДТУ, 2001. - С. 80-86.

Пащенко В. Ф., Жесан Р. В. Карти енергетичних потенціалів відновлюваних джерел енергії як джерело інформації для проектування автономних систем енергопостачання із САК // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины №11, том 2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2001. - С. 86-89.

Жесан Р. В. Математична модель системи автоматичного керування автономною системою енергопостачання на основі комбінованого геліовітроенергетичного агрегату // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2000. - №4. - С. 31-35.

Федунець А., Пащенко В., Жесан Р. Математична модель комбінованого геліовітроенергетичного агрегату для енергопостачання автономних споживачів // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Випуск 29. - Кіровоград, КДТУ, 2000. С. 144-151.

Пащенко В. Ф., Жесан Р. В. Виявлення факторів, що впливають на ефективність роботи перетворювачів сонячної та вітрової енергії у складі комбінованого геліовітроенергетичного агрегату в умовах Кіровоградського регіону // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2000. - №1. - С. 86-92.

Жесан Р. В. Аналіз результатів вимірювань швидкості вітру в Кіровоградському регіоні // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Спеціальний випуск “Проблеми економії енергії” №2. - Львів: ДУ “ЛП”, 1999. - С. 189-191.

Жесан Р. В. Визначення оптимального кута нахилу приймачів сонячних установок // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). Випуск № 3. - Кіровоград, КІСМ, 1998. С. 63-66.

Жесан Р. До питання про визначення енергетичних потенціалів відновлюваних джерел енергії в Україні // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Спеціальний випуск “Проблеми економії енергії”. - Львів: ДУ “ЛП”, 1998. - С. 164-165.

Жесан Р. В., Пащенко В. Ф. Відновлювані джерела енергії для України // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування. Випуск № 1. - Кіровоград, КІСМ, 1997. С. 91-94.

Пащенко В. Ф., Жесан Р. В. До питання про вибір схеми генерування для вітроустановок // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування. Випуск № 1. - Кіровоград, КІСМ, 1997. - С. 126-128.

Жесан Р. В. До оцінки густини потоку сонячної радіації // Проблеми автоматизації та енергозабезпечення в сільському господарстві і машинобудуванні. Збірник наукових статей. Випуск 2. - Кіровоград, КІСМ, 1996. - С. 22-23.

Жесан Р. В. Енергопостачання автономного споживача з використанням відновлюваних джерел енергії та системи автоматичного керування // Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні: Матеріали І-ї науково-практичної конференції (Львів, 31.05-01.06.2001 р.) - Зб. наук. статей. - Львів, ЛвЦНТЕІ, 2001. - С. 30-34.

Размещено на Allbest.ru

...