Методи і засоби раціонального перетворення та акумулювання енергії Сонця та вітру в автономних енергосистемах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

КИРПАТЕНКО Ілля Миколайович

УДК 621.311.26: 620.91

МЕТОДИ І ЗАСОБИ РАЦІОНАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ТА АКУМУЛЮВАННЯ ЕНЕРГІЇ СОНЦЯ ТА ВІТРУ В АВТОНОМНИХ ЕНЕРГОСИСТЕМАХ

Спеціальність: 05.14.08 - Перетворювання відновлюваних

видів енергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі загальних проблем використання відновлюваних джерел енергії Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Кудря Степан Олександрович,

Інститут електродинаміки НАН України, завідувач

відділу загальних проблем використання

відновлюваних джерел енергії.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Павлов Віктор Борисович, Інститут електродинаміки НАН України, провідний науковий співробітник відділу стабілізації параметрів електромагнітної енергії;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Головко Володимир Михайлович, Національний науковий центр “Інститут електрифікації та механізації сільського господарства” Української академії аграрних наук, старший науковий співробітник відділу електрифікації та автоматизації сільського господарства.

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти і науки України, кафедра електричних станцій, м. Київ.

Захист відбудеться “_08___” ___жовтня____ 2003 р. об _1100__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56).

Автореферат розіслано “__04__”______вересня______2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О. І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Однією з головних науково - технічних проблем є проблема компенсації нестабільності відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) в автономних енергосистемах. Комплексне використання різних видів ВДЕ певною мірою може вирішити цю проблему, але для прийнятного по стабільності енерго -, а зокрема електрозабезпечення споживачів необхідно в енергосистемах на основі ВДЕ використовувати акумулюючі пристрої.

В зв'язку з тим, що від системи акумулювання в значній мірі залежить робота енергосистеми, забезпечення ефективної роботи системи акумулювання за рахунок узгодження джерела енергії і акумулятора є однією з найважливіших задач при проектуванні автономних енергосистем.

Через велику вартість системи акумулювання (20 - 30% від вартості енергосистеми) визначення оптимальної ємності системи акумулювання, при якій стабільне забезпечення споживачів гарантується із заданою ймовірністю, є також важливою задачею. Таким чином, окреслені задачі є одними з пріоритетних, і роботи в цьому напрямку будуть вагомим внеском в розв'язання проблеми підвищення ефективності автономних енергосистем на основі ВДЕ.

Актуальність теми. Зростаючий інтерес до автономних енергосистем на основі ВДЕ обгрунтовує актуальність і доцільність вивчення цих систем. Основними задачами, які потребують розв'язання при проектуванні автономних енергосистем на основі ВДЕ є визначення необхідної ємності акумуляторних батарей (АБ), необхідної для стабільного енергопостачання в конкретних кліматичних умовах, а також визначення шляхів підвищення ефективності акумулювання енергії ВДЕ. В енергосистемах на основі ВДЕ невеликої потужності (до 10 кВт) в системах акумулювання використовуються в основному електрохімічні акумулятори, лужні та кислотні. Численні публікації, в яких опрацьовані питання побудови та функціонування енергосистем на основі ВДЕ, показують, що обслуговування АБ вимагає значних трудовитрат та часу. Неоптимальна експлуатація АБ призводить до скорочення її строку служби, що підвищує вартість експлуатації енергосистеми в цілому, через відносно велику вартість АБ. Враховуючи вищенаведене, можна стверджувати, що підвищення ефективності акумулювання енергії за рахунок оптимального узгодження джерела енергії та акумулятора, підвищення строку служби акумулюючих пристроїв є необхідною умовою підвищення ефективності та надійності енергосистеми. Тому, з метою скорочення трудовитрат на обслуговування, підвищення строку служби, надійності та ефективності енергосистеми на основі ВДЕ, доцільно автоматизувати процеси заряд - розряду та контролю АБ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з планами наукових досліджень Відділення комплексних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України в рамках Державної програми підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії (прийнята в 1998 році), Основними принципами державної політики енергозбереження (закон України “Про енергозбереження”, постанова Верховної Ради України №75/94 - ВР від 1 липня 1994 р.), а також у відповідності до Програми 04.07 Міністерства науки та освіти “Нетрадиційнї і відновлювані джерела енергії та ефективні системи їх використання” та по темі НДР Інституту електродинаміки НАН України “Сонце - 1 - Розвинути теорію і розробити методи інтенсифікації процесів перетворення енергії в системах енергопостачання на основі відновлюваних джерел”. (Постанова Бюро ВФТПЕ НАН України від 11.03.1999 р., держ. реєстр. № 0198U008150).

У названій вище НДР Кирпатенку І. М. належить створення математичної моделі процесу заряду електрохімічного акумулятора від сонячної батареї, методики розрахунку системи автоматичного підтримання фотобатареї в точці максимальної потужності при роботі на електрохімічний акумулятор, методики розрахунку ємності системи акумулювання для автономних енергосистем на основі вітроелектроустановок (ВЕУ), стенду для моделювання вольт - амперної характеристики фотобатареї.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка принципів підвищення ефективності енергосистем на основі ВДЕ, а також пристроїв, які підвищують ефективність роботи енергосистем за рахунок підвищення ефективності акумулювання електричної енергії ВДЕ.

Поставлена мета вимагає розв'язання наступних наукових задач:

аналіз і вибір ефективного критерію заряду АБ.

аналіз існуючих видів апроксимації вольт - амперної характеристики (ВАХ) фотобатарей (ФБ).

дослідження особливостей роботи АБ з ФБ.

розробка методики розрахунку пристрою підтримання ФБ в режимі віддачі максимальної потужності при роботі з АБ.

дослідження особливостей роботи АБ та ВЕУ

розробка рекомендацій щодо побудови оптимальної енергосистеми на основі ВДЕ з урахуванням конкретних кліматичних умов.

Об'єктом дослідження є автономна система енергоживлення на основі ВДЕ.

Предметом дослідження є процеси заряду акумуляторних батарей від ВДЕ з метою підвищення ефективності системи акумулювання електричної енергії.

Методи дослідження. Теоретичне та експериментальне дослідження процесів заряду акумуляторних батарей від ВДЕ проводилось з використанням математичного апарату диференційного числення. При розробці методик розрахунку пристроїв, призначених для підвищення ефективності акумуляторних батарей, було використано математичний апарат операційного числення та елементи теорії автоматичного регулювання, розрахунки велись в програмному середовищі MathCad. Моделювання електричних перехідних процесів здійснювалось за допомогою програми Electronics Workbench.

При визначенні необхідної ємності системи акумулювання в залежності від кліматичних умов було, використано елементи теоріі ймовірностей та математичної статистики, програми для розрахунків статистичних характеристик виконані в програмному середовищі MathCad.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

запропоновано кусково - лінійну апроксимацію ВАХ фотоперетворювача на основі дрібно - лінійної апроксимації, що значно спрощує аналіз імпульсних перетворювачів напруги, які працюють з фотоперетворювачами;

створена нова математична модель системи ФБ - АБ, на основі її аналізу доведено необхідність використання пристроїв, що забезпечують роботу системи в режимі віддачі максимальної потужності для підвищення ефективності енергосистеми;

розроблено методику розрахунку параметрів пристрою для забезпечення роботи системи ФБ - АБ в режимі віддачі максимальної потужності (пристрою ПОУФБ-А);

визначені принципи побудови систем автоматичного регулювання частоти обертів вітрогенераторів, використання яких підвищить коефіцієнт використання енергії вітру;

вперше визначений закон розподілу щільності ймовірності періодів відсутності вітру;

розроблена методика для визначення ємності АБ в енергосистемі на основі ВЕУ в залежності від кліматичних умов.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці на основі отриманої методики пристрою оптимального узгодження фотобатареї і акумулятора ПОУФБ-А, пристроїв автоматичного управління зарядом акумулятора ПАУЗА, пристрою для моделювання ВАХ ФБ (ПМВФ - 1). Результати дисертаційної роботи впроваджені в Інституті фізики напівпровідників при виконанні проекту УНТЦ №U031 “Розробка фотоперетворювачів сонячної енергії на основі структур нового типу “іонномодифіковані та алмазоподібні шари - полікристалічний кремній”” та в Держкоменергозбереження при виконанні договору №30/1 - 98 від 24.06.98.р. “Система аварійного електрозабезпечення житлових та промислових об'єктів”.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які містяться в дисертації, отримані автором особисто. В друкованих працях, опублікованих в співавторстві, здобувачеві належить: в [1] - огляд розвитку малої гідроенергетики, в [2] - аналіз використання систем акумулювання в енергосистемах на основі ВДЕ, в [3] - аналіз експлуатаційних показників ВЕУ.

Апробація результатів наукових досліджень. Матеріали дисертації доповідались на конференції “Авіаційна і космічна техніка і технології”, Харків, 1999 рік та на першій і другій міжнародних конференціях “Нетрадиційна енергетика двадцять першого століття”, Ялта, 2000 - 2001рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць (6 з них - самостійно), у тому числі: 4 статті у фахових наукових виданнях, 2 статті в інших виданнях, 1 патент на винахід, 2 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 176 сторінок, у тому числі 151 сторінка основного тексту, 31 рисунок, 11 таблиць та 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблем використання відновлюваних джерел енергії, таких як проблема компенсації нестабільності, проблема оптимального узгодження джерела енергії та системи акумулювання. Викладено зв'язок роботи з основними принципами державної політики розвитку відновлюваних джерел енергії, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено відомості про практичне використання результатів досліджень, вказано апробацію результатів досліджень та публікації.

У першому розділі розглянуто стан розвитку відновлюваних джерел енергії в світі та Україні, потенціал відновлюваних джерел енергії в Україні. Показано, що Україна має значні перспективи в галузі використання відновлюваних джерел енергії. Обчислено, що доцільно-економічного потенціалу сонячної енергії достатньо для задоволення енергетичних потреб сільського господарства України. Висвітлена проблема забезпечення ефективності роботи енергосистем на основі відновлюваних джерел енергії. Проаналізовані літературні джерела по темі дисертації. Розглянуті різні типи автономних енергосистем на основі відновлюваних джерел енергії, вказані її характерні особливості, визначені проблеми, пов'язані з використанням систем акумулювання в різних типах автономних енергосистем.

У другому розділі розглянуто проблеми використання ВЕУ та ФБ в автономних енергосистемах. Розглянуто роботу автономної вітроустановки, запропоновано принцип побудови систем автоматичного управління частотою обертання вітроколеса з введенням сигналів по збурюючим факторам, який дозволить підвищити коефіцієнт використання енергії вітру (рис. 1).

На рис.1 - Uет - еталонна напруга, якій відповідає номінальна частота обертів вітротурбіни; Ку - підсилювач напруги неузгодження з коефіцієнтом підсилення Ку; Ксу - система управління регулятором зарядного струму, коефіцієнт передачі - Ксу; Крзс - регулятор зарядного струму, коефіцієнт передачі - Крзс; Щ=f(R,V) - об'єкт регулювання (вітротурбіна) з вищезазначеною передаточною характеристикою; 1/рТ1+1 - аперіодична ланка, за допомогою якої враховано інерційність вітроколеса; Т1 - постійна часу вітроколеса; Кd/рТ2+1 перетворювач частота - напруга з даною передаточною характеристикою; К1рТ3/(рТ4+1) та К2рТ4/(рТ5+1) - передаточні характеристики ланок вводу сигналів збурення по швидкості вітру V та величині навантаження R.

Отримані граничні значення постійних часу ланок вводу сигналів по збуренням, при яких система зберігає стійкість:

де

- спільний коефіцієнт передачі. ;

- коефіцієнт при першому члені розкладу функції в ряд Тейлора (розглядається випадок малих збурень);

- постійні часу вітроколеса та перетворювача частота - напруга відповідно.

Проаналізовано різні види апроксимації ВАХ ФБ: дрібно - лінійну, кусково - лінійну, в якій апроксимуючі прямі є дотичними до кривої дрібно - лінійної апроксимації в точках холостого ходу та короткого замикання (рис. 2 а).

Дрібно - лінійна апроксимація, яка досить точно відтворює ВАХ ФБ, при аналізі електричних кіл, які містять ФБ та реактивності, призводить до необхідності розв'язання складних нелінійних диференційних рівнянь. Застосування кусково - лінійної апроксимації спрощує задачу, але в цьому випадку виникає значна похибка в околі точки максимальної потужності (ТМП), тобто там, де найчастіше знаходиться робоча точка. З метою ліквідації цього недоліку була запропонована кусково - лінійна апроксимація ВАХ фотобатареї на основі дрібно - лінійної апроксимації, де апроксимуючі прямі перетинаються в ТМП (рис. 2. б)

Дослідження запропонованої кусково - лінійної апроксимації показали, що відносна похибка по відношенню до дрібно - лінійної апроксимації лежить в межах 4,8 - 7,4%, що є прийнятним для інженерних розрахунків.

Для дослідження процесу заряду електрохімічного акумулятора від фотобатареї створено математичну модель системи фотоперетворювач - електрохімічний акумулятор.

Для описання зарядної характеристики електрохімічного акумулятора запропонована наступна апроксимуюча функція:

,

де - напруга на акумуляторі, (В), - зарядний струм, (А), - заряд, наданий акумуляторові на момент часу (А. год.), - коефіцієнт пропорційності, визначається по зарядним кривим акумулятора (Ом/год), - коефіцієнт, який враховує зміни напруги на акумуляторі в залежності від змін зарядного струму, (Ом), визначається по зарядним кривим акумулятора, - напруга розрядженого акумулятора, (В).

Враховуючи те, що заряд, наданий акумуляторові на момент часу , можна представити як:

,

то рівняння, яке описує процес заряду акумулятора, набуває вигляду:

.

Розглянуто процес заряду акумулятора від ФБ, ВАХ якої описується кусково - лінійною апроксимацією в припущенні, що заряд починається в точці віддачі ФБ максимальної потужності, тобто в точці найбільш ефективного використання ФБ.

Отримано диференційне рівняння, яке описує струм в колі ФБ - АБ:

,

де

- параметр кусково - лінійної апроксимації фотобатареї. Розв'язком цього рівняння є функція:

Шляхом інтегрування цього виразу отримана залежність заряду, наданого акумуляторові, від часу заряду:

На рис. 4. поданий графік при наступних значеннях коефіцієнтів (коефіцієнти визначені для нікель - кадмієвого акумулятора НК - 14 і для ФБ при освітленості Е=100000 Лк) Ом, Ом/год, Ом).

Як видно з графіків на рис. 4, заряд акумулятора безпосередньо від фотобатарї, крім значно меншої швидкості, відрізняється також неможливістю надання акумуляторові заряду, який би перевищував певне порогове значення. В даному випадку це:

А/год.

Для збільшення величини заряду, який можна надати акумуляторові, необхідно або підвищувати струм короткого замикання ФБ, або напругу холостого ходу. Обидва ці шляхи ведуть до збільшення розмірів ФБ, і, як наслідок, до збільшення вартості. Таким чином, становиться очевидною необхідність використання пристрою узгодження в енергосистемах на основі ФБ.

У третьому розділі проведено аналіз існуючих схемних рішень, які можуть бути використані для побудови пристрою узгодження. Розглянуті перетворювач напруги першого та другого роду, послідовне з'єднання перетворювачів першого та другого роду, полярно реверсуючий перетворювач.

В якості об'єкта регулювання обрано полярно - реверсуючий перетворювач (ППН - 3) , як такий, що може забезпечити вихідну напругу як меншу, так і більшу за вхідну, при відносно простій схемі управління.

Проведено аналіз існуючих методів пошуку екстремуму, обгрунтовано вибір методу накладення вимушених коливань як такого, який забезпечує максимальну точність знаходження екстремуму, при чому точність не залежить від величини пробної дії.

Використовуючи метод осереднення змінних стану, отримано коефіцієнт передачі напруги полярно - реверсуючого перетворювача на постійному струмі з врахуванням втрат в елементах схеми:

,

де - активний опір дроселя вхідного фільтру, -активний опір дроселя перетворювача, - опір навантаження, - коефіцієнт заповнення імпульсів управління.

Отримано статичну регулювальну характеристику - струм заряду акумулятора - коефіцієнт заповнення імпульсів управління (при роботі в режимі безперервного потоку):

,

де

- напруга холостого ходу фотоперетворювача,

- напруга акумулятора,

- внутрішній опір фотоперетворювача в залежності від струму.

Використовуючи той же метод, отримано передаточну характеристику струм навантаження - вхід управління для малого сигналу:

,

де - коефіцієнти, що залежать від коефіцієнту заповнення імпульсів

управління D , індуктивності дроселя та ємності конденсатора вхідного фільтру ,

індуктивності дроселя та ємності конденсатора перетворювача напруги , послідовних

опорів конденсаторів вхідного фільтру та перетворювача напруги , а також від внутрішнього опору фотобатареї -

З виразу для коєфіцієнту передачі струм навантаження - вхід управління для малого сигналу видно, що система ППН - 3 - фотобатарея належить до немінімально - фазових систем, які, охоплені колом від'ємного зворотнього зв'язку, можуть збуджуватися. З метою запобігання збудженню та покращення динамічних характеристик в пристрій узгодження введено коло корекції.

Аналіз сталості системи проведено по критерію Найквіста (Боде) з використанням амплітудно - частотних та фазо - частотних характеристик розімкненої системи. По методу D - розбиття визначено вплив на сталість пристрою загального коефіцієнту підсилення системи.

Розроблена методика розрахунку пристрою узгодження для фотобатарей з максимальною потужністю Pmax = 10 - 100 Вт, напругами холостого ходу Uos = 6 - 33В, струмами короткого замикання Isc = 3 - 15,5 А.

Для фотобатарей, секції яких можуть мати різний рівень освітленості, і відповідно, більше одного максимума потужності, розроблено пристрій узгодження, система управління якого реалізує “сканування” характеристики потужності з метою знаходження абсолютного максимума потужності.

Для проведення лабораторних випробувань пристроїв узгодження та перевірки адекватності математичної моделі системи ФБ - АБ, було розроблено пристрій для моделювання вольт - амперної характеристики ФБ (ПМВФ - 1), принцип роботи якого полягає у використанні регульованої уставки (діодного оптрону), струм якої пропорційний струму навантаження, що досягається шляхом застосування зворотнього зв'язку по струму. Напруга на навантаженні, в свою чергу, пропорційна напрузі уставки, що досягається використанням зворотнього зв'язку по напрузі. Таким чином, прилад реалізує ВАХ, пропорційну ВАХ фотодіода оптрону, яка є ідентичною ВАХ фотоелемента. Принципова електрична схема приладу приведена на рис. 6.

Розроблена методика визначення ємності коректуючого конденсатора С2 в залежності від характеру навантаження (активне, індуктивно - активне, активно - ємнісне) на основі аналізу годографа Михайлова.

Результати лабораторних випробувань пристрою узгодження з використанням ПОУФБ - А приведені в табл. 1 - 2.

Лабораторні дослідження показали ефективність застосування пристрою узгодження в автономних енергосистемах на основі ФБ та АБ.

Таблиця 1

Використання ПОУФБ-А, освітленість S=const

Відстань між ТМП та початковою напругою акумулятора, В Um - Ua	Надана ємність, А*год.	Частка від номінальної ємності Qн %	Час заряду T1, год	Прискорення заряду, (Т1-Т)/Т1 %
	Без ПОУФБ-А	З ПОУФБ-А		Без ПОУФБ-А	З ПОУФБ-А
0	17	20	85	_____	____	____
-2	10	20	50	____	____	_____
2,5	20	20	100	5,2	5	3
4	20	20	100	5,2	2,8	46
5	20	20	100	5,3	2	63

Таблиця 2

Використання ПОУФБ-А, Освітленість змінюється з періодом t=5 с

Відстань між ТМП та початковою напругою акумулятора, В Um - Ua	Надана ємність, А*год.	Частка від номінальної ємності Qн %	Час заряду T1, год	Прискорення заряду, (Т1-Т)/Т1 %
	Без ПОУФБ-А	З ПОУФБ-А		Без ПОУФБ-А	З ПОУФБ-А
0	17	20	85	_____	____	____
-2	10	20	50	____	____	_____
2,5	20	20	100	7	5,4	22
4	20	20	100	7	3,2	54
5	20	20	100	7	2,4	66

У четвертому розділі проведено аналіз статистичних даних параметрів вітру на майданчику Донузлавської ВЕС за 9 років. Встановлено, що періоди відсутності вітру (періоди, коли швидкість вітру зменшується до величини, при якій не задовольняються енергетичні потреби споживача) мають експоненційний розподіл (рис. 7.).

В програмному середовищі MathCad створена програма для побудови гістограми щільності розподілу періодів відсутності вітру та для визначення параметру експоненційного розподілу. На основі отриманих результатів створена методика розрахунку ємності системи акумулювання для енергосистем з вітроустановками.

ВИСНОВКИ

вітроелектроустановка регулювання автоматичний

З метою підвищення коефіцієнту використання енергії вітру запропоновано новий спосіб регулювання частоти обертів вітроколеса вітроустановки, який полягяє в здійсненні регулювання шляхом перерозподілу потоків енергії між навантаженням і системою акумулювання. Коефіцієнт використання енергії вітру підвищується за рахунок накопичення надлишкової енергії в системі акумулювання.

З метою підвищення точності математичного описання процесів в електричних колах, які містять фотоперетворювачі, запропонована кусково - лінійна апроксимація ВАХ фотоперетворювача, така, що апроксимуючі прямі перетинаються в точці максимальної потужності, що дозволило застосовувати математичний апарат лінійних диференційних рівнянь для розрахунків електричних кіл з фотоперетворювачами. Максимальна відносна похибка запропонованої апроксимації не перевищує 7,4%.

З метою забезпечення випробувань та настройки пристроїв, які використовують фотобатареї, запропоновано спосіб моделювання ВАХ фотобатареї, який полягає у використанні регульованої уставки (фотодіодного оптрону), та двох кіл від'ємного зворотного зв'язку - по струму та напрузі, що дало змогу відтворити характерні ділянки ВАХ та моделювати зміни зовнішних умов (освітленості) на створеному експериментальному стенді.

Для дослідження функціонування системи акумулювання автономної енергосистеми на основі фотобатарей, розроблена математична модель процесу заряду електрохімічного акумулятора від фотобатареї. На основі аналізу моделі показано необхідність застосування системи автоматичного регулювання заряду акумулятора для забезпечення відбору від фотобатареї максимальної потужності. Адекватність моделі доведена експериментально.

З метою підвищення ефективності енергосистеми на основі фотобатарей та електрохімічних акумуляторів створена методика розрахунку системи автоматичного підтримання фотобатареї в точці максимальної потужності на основі полярно - реверсуючого перетворювача, досліджено вплив параметрів системи, фотобатареї та акумулятора на стійкість системи та якість перехідних процесів. Розглянутий режим відбору максимальної потужності від частково затінених фотобатарей. На основі методики і результатів досліджень розроблено пристрій автоматичного управління зарядом акумулятора від фотобатареї, використання якого в енергосистемі на основі ФБ підвищило коефіцієнт використання ФБ в середньому на 15 - 20%, в деяких режимах до 60%.

На основі аналізу статистичної інформації параметрів вітрового потоку встановлено, що періоди відсутності вітру мають експоненційний розподіл. Створено методику оціночного розрахунку автономної енергосистеми на основі ВЕУ, що дозволить визначати кількість вітроелектроустановок та ємність системи акумулювання в залежності від кліматичних умов.

На основі отриманих в роботі результатів розроблено та впроваджено систему аварійного електроживлення житлових та промислових об'єктів, в якій здійснене комплексне використання сонячної та вітрової енергії, передбачена можливість паралельної роботи з промисловою електромережею.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Кудря С. А., Васько В. П., Кирпатенко И. Н., Яценко Л. В. Состояние развития ветроэнергетики и малой гидроэнергетики Украины // Техн. електродинаміка. Темат. вип. Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем. - 1999. - Ч. 1.- С. 32 - 33.

Кудря С. О., Яценко Л. В., Кирпатенко І. М., Васько В. П. Методи підвищення ефективності застосування обладнання на основі відновлюваних джерел енергії в комбінованих енергетичних системах // Винахідник і раціоналізатор. - 1999. - № 1-2. - С. 43.

Брыль А. А., Васько В. П., Васько П. Ф., Кирпатенко И. Н., Пекур П. П. Основные показатели качества изготовления и эксплуатации ВЭУ // Авиационно-космическая техника и технология.- 1999. - С. 19 - 23.

Кирпатенко І. М. Автоматизація процесів акумулювання електричної енергії відновлюваних джерел // Винахідник і раціоналізатор. - 1999. - № 1-2. - С. 34 - 35.

Кирпатенко І. М. Система резервного електроживлення жилих та промислових об'єктів // Технічна електродинаміка. Темат. вип. Проблеми сучасної електротехніки. - 2000. - Ч. 3. - С. 74 - 75.

Кирпатенко І. М. Кусково - лінійна апроксимація вольт - амперної характеристики фотобатареї // Технічна електродинаміка. - 2002. - № 4. - С. 11 - 13.

Пат. 42410 А Україна. МКВ G06G7/62. Пристрій для моделювання вольт-амперної характеристики: Пат. 42410 А Україна. МКВ G06G7/62/ Кирпатенко І. М. (Україна); Інститут електродинаміки НАН України. - №2001021157; Заявлено 19.02.2001; Опубл. 15.10.2001, Бюл. №9 - 4с.

Кирпатенко І. М. Прилад автоматичного управління зарядом - розрядом акумуляторів (зарядно - розрядний контролер) // Материалы 2 Международной конференции “Нетрадиционная энергетика в ХХ1 веке”. - Ялта. - 2001. - С. 98 - 100.

Кирпатенко И. Н. Система резервного электропитания с использованием возобновляемых источников энергии // Материалы международной конференции “Clean Energy for Crimea”. - Гурзуф. - 2001. - С. 58 - 59.

АНОТАЦІЇ

Кирпатенко І.М. Методи і засоби раціонального перетворення та акумулювання енергії Сонця та вітру в автономних енергосистемах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення ефективності акумулювання електричної енергії відновлюваних джерел в автономних енергосистемах за рахунок узгодження джерела енергії і електрохімічного акумулятора, а також визначенню оптимальної ємності системи акумулювання, при якій стабільне забезпечення споживачів гарантується з заданою ймовірністю. Запропоновано систему автоматичного регулювання частоти обертів вітроколеса вітроелектроустановки, яка дозволяє підвищити коефіцієнт використання енергії вітру. На основі дрібно - лінійної апроксимації створено кусково - лінійну апроксимацію вольт - амперної характеристики фотобатареї. Розроблено математичну модель процесу заряду електрохімічного акумулятора від фотобатареї, показана необхідність використання пристрою узгодження в системі електрохімічний акумулятор - фотобатарея. Розроблено методику розрахунку пристрою узгодження, який забезпечує роботу системи фотобатарея - електрохімічний акумулятор в точці максимальної потужності. Розроблено пристрій для моделювання вольт - амперної характеристики фотобатареї. Проведено статистичний аналіз параметрів вітрового потоку, встановлено, що періоди відсутності вітру мають експоненційний розподіл. На основі закону розподілу періодів відсутності вітру розроблена методика визначення ємності системи акумулювання для автономних енергосистем з вітроустановками. Ключові слова: узгодження джерела енергії і акумулятора, автономна енергосистема, фотобатарея, вітроустановка, моделювання.

Kirpatenko I. M. Methods and facilities of rational conversion and accumulation of Sun and wind energy in autonomous energy systems. - Manuscript.

Thesis for a candidate of engineering science degree, speciality 05.14.08 - Renewable Energy Conversion. - The Institute of Electrodynamics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2003.

The thesis is devoted to the solution of increasing efficiency problem of accumulation electrical energy of renewable energy sources in autonomous energy systems. Increasing efficiency of accumulation process is obtained by means of optimal matching of storage battery and renewable energy sources.

The automatic control system for rotation frequency stabilization of wind turbine is proposed. Application of this control system in energy system on base of wind farms allows to increase of wind energy utilisation.

There is piecewise-rectilinear approximation is suggested on the base of fractional-linear approximation of the photovoltaic installation voltage-current characteristic. The has been developed mathematical model of charge process of the electrochemical accumulator from the PV installation. It is shown that the direct charge of the accumulator from the photobattery is inefficient. The procedure of matching device design for photovoltaic installation and storage battery is created. The device for simulation of voltage-current characteristic of the photovoltaic installation is designed.

On the base of statistic analysis of wind flows parameters exponential distribution law of calm periods is determined. The procedure of accumulation system capacity determination in energy system on base of wind turbines is created.

Key words: matching of accumulator and energy source, autonomous energy system, PV installation, wind farm, modeling.

 Кирпатенко И. Н. Методы и средства рационального преобразования и аккумулирования енергии Солнца и ветра в автономных энергосистемах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения эффективности аккумулирования электрической энергии возобновляемых источников за счет согласования источника энергии и электрохимического аккумулятора, а также определению оптимальной емкости системы аккумулирования, при которой стабильное обеспечение потребителей электроэнергией гарантируется с заданной вероятностью.

Предложена система автоматического управления частотой вращения ветроколеса ветроэлектроустановки, которая позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра.

На основе дробно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики фотобатареи разработана кусочно-линейная аппроксимация, максимальная относительная погрешность которой лежит в пределах 4,8 - 7,4 %, что является приемлемым для инженерных расчетов.

Разработана математическая модель процесса заряда электрохимического аккумулятора от фотобатареи, показано, что непосредственный заряд аккумулятора от фотобатареи неэффективен.

Создано устройство согласования фотобатареи и электрохимического аккумулятора на основе полярно - реверсирующего преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающее отбор от фотобатареи максимальной мощности независимо от уровня освещенности, параметров фотобатареи и аккумулятора. Разработана методика расчета устройства согласования, обеспечивающая получение заданых технических характеристик. Рассмотрен случай частично затененных фотобатарей. Для работы с такими фотобатареями, которые могут иметь несколько максимумов на характеристике мощности (характеристика мощности - зависимость мощности, отдаваемой в нагрузку, от положения рабочей точки), предложено систему управления, которая реализует принцип “сканирования” характеристики мощности.

Для проверки адекватности математической модели системы фотобатарея - электрохимический аккумулятор, а также проведения исследований и настройки устройств согласования, разработано устройство для моделирования вольт-амперной характеристики фотобатареи (ПМВФ - 1). Принцип работы устройства основан на использовании регулируемой уставки (фотодиода диодной оптопары), ток которой пропорционален току нагрузки, что достигается применением отрицательной обратной связи по току, а напряжение на нагрузке пропорционально напряжению уставки, что достигается применением обратной связи по напряжению. Разработана методика определения корректирующей емкости, предотвращающей возбуждение ПМВФ - 1, в зависимости от характера нагрузки (активной, активно - индуктивной, активно - емкостной). Лабораторные испытания устройства согласования фотобатареи и аккумулятора на ПМВФ - 1 и кислотном аккумуляторе подтвердили эффективность применения устройства согласования. Так, коэффициент использования электрической энергии при заряде аккумулятора от фотобатареи с применением устройства согласования увеличился в среднем на 15 - 20%, в некоторых режимах (при периодическом изменении освещенности) - до 60 %.

Приведено описание разработанной системы аварийного электропитания жилых и промышленных объектов на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии.

На основе статистического анализа данных о параметрах ветрового потока на площадке Донузлавской ВЭС за 9 лет наблюдений установлено, что периоды отсутствия ветра (уменьшение скорости ветра до величины, при которой не удовлетворяются энергетические потребности потребителя) имеют экспоненциальное распределение. Статистический анализ данных Глобинского метеопоста (Полтавская область) показали такой же характер закона распределения периодов отсутствия ветра. Создана методика определения необходимой установленной мощности и емкости системы аккумулирования для энергосистемы на основе ветроэлектроустановок с использованием закона распределения периодов отсутствия ветра.

Ключевые слова: согласование источника энергии и аккумулятора, автономная энергосистема, фотобатарея, ветроустановка, моделирование.

Размещено на Allbest.ru

...