Повышение эффективности автономной топливной электростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Азово-Черноморский инженерный институт (филиал Донского ГАУ)

Повышение эффективности автономной топливной электростанции

Воронин С.М.

Цыганов В.В.

Москаленко Е.Я.

Аннотация

В статье рассмотрены экспериментальные исследования по нахождению оптимальной доли замещения бензиновой электростанции аккумуляторными батареями для автономных сельскохозяйственных объектов. В качестве источников энергии для заряда аккумуляторных батарей предлагается использовать фотоэлектрические преобразователи. Определен график зависимости бензиновой электростанции и нагрузки автономного объекта. Составлена математическая модель зависимости себестоимости электроэнергии от параметров автономной системы электроснабжения. Рассчитана доля замещения для автономных объектов с различной нагрузкой.

Ключевые слова: бензиновая электростанция, аккумуляторы, фотоэлектрические преобразователи, экспериментальные исследования, баланс энергии

Основная часть

электростанция аккумуляторный батарея энергия

Для автономного электроснабжения удаленных объектов (фермерских усадеб, домиков рыбака, овцеводческих точек и др.) практически повсеместно применяют топливные электростанции, преимущественно, бензиновые. Преимущество бензиновых электростанций перед другими источниками энергии, например, возобновляемыми источниками энергии, обусловлено нерегулярностью последних [1, 4]. Однако постоянное повышение стоимости углеводородного топлива требует более пристального внимания к эффективности работы бензиновых электростанций.

Наиболее важным показателем эффективности работы автономной бензиновой электростанции является удельный расход топлива на единицу производимой энергии, который оказывает влияние на стоимость получаемой электроэнергии.

В этой связи целью настоящей работы стало изыскание путей уменьшения стоимости электроэнергии, вырабатываемой автономными системами электроснабжения на основе бензиновых электростанций.

Мощность бензиновых электростанций, работающих в автономном режиме, выбирается, исходя из максимальной мощности нагрузки [2, 4]. Однако мощность присоединенных потребителей в течение суток может колебаться от нескольких ватт до нескольких киловатт. Естественно, что при малой нагрузке использовать бензиновую электростанцию, рассчитанную на несколько киловатт, неэффективно, так как удельный расход топлива в этом случае увеличивается в разы [2]. Для устранения этого недостатка целесообразно при малых нагрузках отключать топливную электростанцию, а потребителей снабжать электроэнергией от дублирующего источника.

Проанализировав возможные дублирующие источники энергии, мы пришли к выводу, что наиболее эффективным является электрохимический аккумулятор. Применение электрохимического аккумулятора позволит не только предотвратить перерасход топлива на малых нагрузках, но и уменьшить мощность бензиновой электростанции, так как в этом случае от нее потребуется снабжать электроэнергией не всю суммарно максимальную нагрузку, а только ее часть. Остальная часть нагрузки будет снабжаться электроэнергией от дублирующего аккумулятора. Очевидно, что для реализации эффекта от уменьшения требуемой мощности бензиновой электростанции аккумулятор должен заряжаться от другого источника, например, от батареи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Структурная схема такой автономной системы электроснабжения приведена на рис. 1.

Кроме того, возможен дополнительный эффект при переводе на электроснабжение потребителей, допускающих работу на постоянном токе (осветительные и нагревательные приборы и др.). Следует при этом учитывать, что такое разделение нагрузки не всегда возможно, что потребует введение инвертора при электроснабжении от аккумуляторов. Однако даже частичный перевод потребителей на постоянный ток позволит уменьшить мощность инвертора напряжений, а значит, и повысить эффективность предлагаемой системы.

Естественно, при этом потребуются затраты на аккумуляторы, батарею ФЭП и др. дополнительные элементы. В связи с этим нами была принята гипотеза, что целевая функция стоимости электроэнергии будет иметь экстремальный минимум при изменении доли разгрузки бензиновой электростанции.

Рис. 1. Структурная схема автономной системы электроснабжения

В качестве критерия оптимальности нами была принята себестоимость электроэнергии. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой такой автономной системой электроснабжения, складывается из удельной (на кВтч) стоимости бензиновой электростанции, удельной стоимости аккумуляторных батарей с их периферийными устройствами (зарядное устройство, инвертор и др.), стоимости батареи ФЭП, эксплуатационных расходов, которые, в основном, представлены удельными затратами на топливо. Формализация первых трех составляющих не представляет трудностей, так как стоимость топливной электростанции, аккумуляторов и батареи ФЭП пропорциональна их основным параметрам: мощности, емкости и площади, соответственно [3].

В результате проведения опытов была получена экспериментальная зависимость расхода топлива от нагрузки.

На рис. 2 показан экспериментальный график удельного расхода топлива.

Анализ кривой удельного расхода топлива показал, что эта зависимость хорошо аппроксимируется полиномом шестой степени.

В соответствии с методикой экспериментальных исследований была проведена проверка значимости регрессионной модели по критерию Фишера. Результаты проверки представлены в таблице 1.

Рис. 2. Экспериментальный график удельного расхода топлива

Таблица 1. Результаты проверки значимости регрессионной модели по критерию Фишера

Уравнение зависимости удельного расхода топлива от нагрузки автономного объекта имеет вид:

где P_MAX - максимальная суточная мощность нагрузки, кВт.

Здесь Р_СРГ - среднесуточная мощность потребителей, получающих электроэнергию от генератора (кВт), определяется следующим образом:

где: P_j - мощность нагрузки в j-е время суток;

P_АБ - мощность аккумуляторных батарей.

n - количество топливных электростанций.

Таким образом, значение целевой функции определяется только долями электроэнергии, получаемой от топливной электростанции и аккумуляторов. Эти доли были найдены следующим образом:

w_ЭС = Р_СРГф_ЭС, w_АБ = Р_АБф_АБ

где: ф_ЭС - время работы топливной электростанции;

ф_АБ - время работы аккумуляторных батарей;

w_ЭС - электроэнергия, вырабатываемая топливной электростанцией для потребителя, кВтч;

w_АБ - электроэнергия, получаемая от аккумуляторных батарей, кВтч.

Целевая функция с учетом эмпирического уравнения удельного расхода топлива будет иметь вид:

электростанция аккумуляторный батарея энергия

где: P_АБн - номинальная мощность аккумуляторных батарей, кВт;

P_АБ - мощность нагрузки, замещаемая аккумуляторными батареями, кВт;

з_АБ - КПД аккумуляторной батареи;

з_ФЭП - КПД фотоэлектрических преобразователей;

N_СИi - интенсивность солнечного излучения за i-тый промежуток времени, Вт/м²;

k_АБ, k_ФЭП - коэффициенты стоимости аккумуляторной батареи, фотоэлектрических преобразователей, руб./Ач, руб./м², соответственно;

k_ЭС - коэффициент стоимости топливной электростанции, руб./кВт;

Таким образом, при известном графике нагрузки целевая функция будет зависеть от мощности электроприемников, получающих электроэнергию от аккумуляторов. Изменяя значения этой мощности, получили график целевой функции для фермерской усадьбы (рис. 3), из которого следует, что доля замещения топливной электростанции при максимальной суточной нагрузке 3,3 кВт должна быть в пределах 44-46% от максимальной мощности суточной нагрузки, следовательно, номинальная мощность топливной электростанции 1,8 кВт, аккумуляторных батарей - 1,5 кВт.

Рис. 3. График целевой функции фермерской усадьбы при максимальной суточной мощности 3,3 кВт

График суточной нагрузки с замещением при 46% топливной электростанции аккумуляторными батареями показан на рис. 4.

Рис. 4. График суточной нагрузки фермерской усадьбы с замещением при 46% топливной электростанции аккумуляторными батареями

Графики целевой функции и замещения топливной электростанции аккумуляторными батареями бригадного дома нерестово-выростного хозяйства показаны на рис. 5 и 6. При максимальной суточной мощности 2,3 кВт доля замещения топливной электростанции аккумуляторными батареями составляет 24-26%.

Рис. 5. Графическое решение целевой функции бригадного дома нерестово-выростного хозяйства

Рис. 6. График суточной нагрузки бригадного дома нерестово-выростного хозяйства с замещением при 26% топливной электростанции аккумуляторными батареями

На рис. 7 и 8 представлены графики целевой функции для максимальной суточной нагрузки 2,5 и 1,2 кВт, доля замещения топливной электростанции аккумуляторными батареями составляет 35-37% и 16-19%, соответственно.

Рис. 7. Графическое решение целевой функции при максимальной суточной мощности 2,5 кВт

Рис. 8. Графическое решение целевой функции при максимальной суточной мощности 1,2 кВт

Выводы:

1. Экспериментальные исследования показали, что при малых нагрузках удельный расход топлива бензиновой электростанции значительно увеличивается.

2. Оптимальная доля замещения топливной электростанции аккумуляторными батареями для фермерской усадьбы находится в пределах 44-46%. При меньшем замещении положительного эффекта нет, так как невозможно существенно уменьшить мощность топливной электростанции. При большем замещении КПД топливной электростанции становится достаточно высоким, вследствие чего экономия топлива незначительна.

3. Доля замещения зависит от графика нагрузки и для других объектов имеет другие оптимальные значения. Например, для нагрузки бригадного дома нерестово-выростного хозяйства доля замещения должна быть в пределах 24-26%.

Список использованных источников

1. Саврасов Ф.В. Энергоэффективные автономные системы электроснабжения с фотоэлектростанциями: автореферат диссертации кандидата технических наук. - Томск. - 2013. - 132 с.

2. Abed K.A., Badr M.A., Bahgat A., El-Bayoumi M. Experimental Results of PV-Diesel Hybrid Energy System // International Journal of Applied Engineering Research. - 2016, vol. 11, №2. - P. 1471-1477.

3. Лукутин Б.В., Шандарова Е.Б. Способы снижения расхода топлива дизельных электростанций [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2013, №2. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/ru/article/view? id=8615.

4. M. Ameen, J. Pasupuleti and T. Khatib Simplified performance models of photovoltaic diesel generator battery system considering typical control strategies // Energy Conversion and Management. - 2015, vol. 99. - P. 313-325.

5. Воронин С.М., Жогалев А.П., Цыганов В.В. Обоснование площади батареи фотоэлектрических преобразователей для автономной электростанции // АгроЭкоИнфо. - 2017, №1. http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/1/st_113.doc.

Размещено на Allbest.ru