CC BY
74
ered. A variant of installing a recuperation energy storage in the inter-feeder zone of the section under consideration is considered and its required capacity is calculated on the basis of statistical data obtained as a result of a previously conducted motion analysis.
Key words: urban electric transport, power supply, energy saving, recuperation, capacitive energy storage
Shpiganovich Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, sanastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Boychevskiy Aleksandr Valerievich, assistant, hoi-alek ayandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Panov Mikhail Sergeevich, master, panov.michail.2016@yandex.ru, Russia, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.311
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С.В. Ершов, С.Ю. Шефер
Рассматривается вопрос построения автономных систем электроснабжения на основе использования фотоэлектрических установок, как в индивидуальном исполнении, так и при их совместной работе с ветроэнергетическими установками. Проводится анализ обеспечениярезервного питания через устройство АВР от сети.
Ключевые слова: автономное электроснабжение, фотоэлектрическая установка, солнечная энергетика.
Для современного развития электроэнергетики характерен стремительный рост в развитии возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Особенно он заметен в системах электроснабжения в состав которых входят солнечные батареи.
Интенсивное развитие альтернативной энергетики начало стремительно расти после мирового энергетического кризиса конца 70-х годов. В этот период правительства и предприниматели отреагировали довольно оперативно на увеличенное финансирование научно-исследовательских работ в области поиска новых источников электроэнергии. С этого момен-таначалось увеличение мощностиустановок на солнечных батареях от 1 Вт до сотен ватт, а космических энергоустановках до 10 кВт и более. В настоящее времясуществуют проекты в состав которых входят солнечныебата-реи в сотни и тысячи киловатт по всему миру. В течение последних
171
тридцати лет значение КПД солнечных батарей возросла примерно на 20 %. В настоящее время оно превышает КПД ламп накаливания. В то время же их стоимость постепенно уменьшается. Данный факт приводитк снижению стоимости электроэнергии полученной фотоэлектрическим способом [3]. Результаты анализа рынка солнечных батарей свидетельствуют о том, что использование фотоэлектричества постепенно становится более выгодным и экономически обоснованным. Использование источника электроэнергии подобного типа особенно актуально в местах, удаленных от сетей централизованного электроснабжения. Одной из главных особенностей использования ВИЭ является их полная экологическая безопасностьпри эксплуатациивырабатывающих электроэнергию элементов. С энергетической точки зрения запасы возобновляемых источников энергииможно считать неограниченными. Также необходимо отметить, что их характерной особенностьюявляется низкая концентрацияэлектрической энергии на единицу площади (примерно 1 кВт/м2, что на несколько порядков ниже при сравнении с традиционным топливом) [4].
В нашей стране, с учетом очень большой территории, достаточно большое количество потребителей электрической энергии расположены на значительном расстоянии от систем централизованного электроснабжения. Это требует сооружениясверхдлинных линий электропередач, для которых характерны огромные потерями электроэнергии. Благодаря развитию альтернативной энергетики появляется возможность дооснастить существу-ющиесистемы электроснабжения децентрализованными источниками получения электричества и тепла, которые помогут существенно снизить потери, возникающие в результате передачи и преобразованияэлектрической энергии.
Для Российской Федерации расширение областиприменения возобновляемых источников энергии очень актуально и экономически оправдано, особенно при постоянном росте тарифов на электроэнергию. Длянеко-торых районах нашей страныхарактерна годоваяинтенсивность солнечного излучения, которая находится на одном уровне с некоторыми странами, в настоящее время активно использующие его для выработки экологически чистой и практически бесплатнойэлектрической энергии (Швеция, Германия, США, Япония и многие другие). В указанных странах, таких, как Германия, в последнее время наблюдается интенсивное развитие солнечной энергетики, а суммарная установленная мощность солнечных электрических станций за последние годы достигло двукратного увеличения [1, 5].
В связи со значительным развитием данной области энергетики возникла проблема построения таких комплексных систем, которые работали бы эффективнокак в автономном режиме, так и в условиях совместной работы с энергосистемой. Проблема построения таких систем заключается в энергоэффективном управлении режимами работы генерирующих
элементов и используемом при этом вспомогательного оборудования. Влияние систем с альтернативными источниками на существующую энергосистему и наоборот исследовано в недостаточном объеме.
Одной из главных задач для ученых, работающих в данном научном направлении является решение проблемы поиска рациональной структуры фотоэлектрической системы, работающейсовместно с центральной системой управления (ЦСУ) и достижения ее максимальной энергетической эффективности.
Существующие в настоящее время фотоэлектрические системы для организации электроснабжения потребителей на переменном и постоянном токе, могут быть классифицированы следующим образом:
фотоэлектрическая система, с интеграцией в центральную энергосистему;
автономная фотоэлектрическая система на основе использования аккумуляторных батарей;
гибридные автономные системы, в состав которых входит дизельный или бензиновый генератор.
В данной статье рассматриваются системы автономного электро-снабженияна базе фотоэлектрических установок (ФЭУ). Кроме ФЭУ в состав данной установки для повышения надежности электроснабжения потребителя дополнительно входят ветроэлектрическая установка (ВЭУ), а также дизель (бензиновый) генератор.
Рис. 1. Структурная схема системы автономного электроснабжения
173
Структурная схема системы, которая изображена на рис. 1, является наиболее технологичной, из имеющихся на данный момент, и удобной в эксплуатации. Система, представленная на рис. 1, еще не доведена до уровня мировых стандартов. Перед исследователями стоит задача усовершенствования системы контроля, управления и оптимизации ее работы.
Основным источником полученияэлектрической энергии в данной системе является фотоэлектрическая установка. Основу данной системы составляюткремниевые фотоэлектрические модули, подключенные параллельно (последовательно). С учетом технических характеристик промыш-ленно выпускаемых устройств, которые ходят в данную систему, можно осуществить оценку КПД рассматриваемойсистемы.
На рис. 2 изображена энергетическая диаграмма, характерная для данной системы. При этом предполагается, что в среднем КПД современных кремниевых фотоэлектрических модулей равен 20 %, потери при заряде-разряде современных аккумуляторных батарей составляют примерно 20%, а потери вблоке инвертирования постоянного тока в переменный достигают 15% [1].
80<М Потери в
ФЭУ
Рис. 2. Энергетическая диаграмма преобразования солнечного излучения (СИ) в электрическую энергию (ЭЭ)
Из диаграммыможно видеть, что при питании потребителей, функционирующих на переменном токе, может быть полезно использовано только 13,6 % энергии солнечного излучения.
Для того чтобы повысить энергетическую эффективность таких систем, может быть вполне целесообразно, чтобы часть потребителей перевести на работу от постоянного тока. С наибольшей вероятностью такими потребителями могут являться осветительные приборы. Светодиодные лампы последнего поколения как раз и являются яркими представителями потребителей постоянного тока. Указанный тип ламп может заменить существующие лампы накаливания и даже, так называемые, энергоэффективные лампы. Это следует из того, что мощность диодных ламп в несколько раз ниже существующих энергоэффективных ламп. При незначительной доработке можно осуществить замену обширного ряда других наиболее распространенных бытовых приборов. К ним можно отнести телевизоры, компьютеры (ноутбуки), стиральные машины и множество дру-
174
гой мелкой бытовой техники. При таком подходе возможно значительно сократить потери в этих системах и повысить их энергетическую эффективность. По результатам теоретической оценки, как это следует изпредставленной энергетической диаграммы, около 16 % от мощности поступающего солнечного излучения.
Энергетическая диаграмма, которая показана на рис. 2, позволяет решать ряд задач, возникающих при проектировании автономных фотоэлектрических систем. Посредством представленной диаграммы можно выполнить оценку количество генерируемой электрической энергии постоянного (переменного) тока, в зависимости от величины преобразования и площади рабочей поверхности фотоэлектрической установки.Также можнорешить обратную задачу, и по известной величине потребляемой электрической энергии определить необходимую площадь фотоэлектрических модулей,требуемой для удовлетворениятребуемой величины мощности потребления электрической энергии постоянного (переменного) тока.
Из приведенных рассуждений можно сделать вывод, что при разработке и реализации автономных систем электроснабжения на базе ФЭУ, может быть решена как прямая задача в результате решения которой: при известной величине солнечного излученияможет быть найдена величина-объёма электрической энергии, так и обратная: нахождение необходимой площади рабочей поверхности ФЭУ, при известной мощности потребления электрической энергии.
Для того чтобы добиться надежного и качественного электроснабжения, автономная система должна иметь оптимальную систему управления. Она может строиться на основе аналогии с центральной нервной системой человека или с уже существующими адаптивными нейронными сетями, которые могут быть созданы на основе математических моделей существующих в природе соединений. Подобные сети могут использоваться как для управления, так и распознавания образов, принятия решений и других целей (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение структуры автономной системы с нейронными сетями: а - фрагмент нейронной сети мозга человека; искусственные нейронные сети: б - полносвязнная; в - многослойная или слоистая; г - слабосвязнная (с локальными связями)
175
Рассмотренные структуры автономных систем электроснабжения, построенные на базе фотоэлектрических установок, могут быть широко использованы как в промышленных, так и социально-бытовых электрических сетях, например, для освещения улиц и автомагистралей; в качестве источников резервного питания (категорийеых объектов); мобильных энергетических систем; учебном процессе, а также при создании и изучении SmartGrid (Интеллектуальные сети). Несмотря на значительные финансовые затраты и ряд практических проблем, которые должны быть решены в ближайшее время, эти системы, как фотоэлектрические, так и гибридные, могут стать для существующих систем электроснабжения эффективным дополнением к традиционной энергетике.
Список литература
1. Федоров А.Ю., Левшов А.В. Системы автономного электроснабжения на базе фотоэлектрических установок // Светотехника и электроэнергетика. 2011. №1. С. 78 - 82.
2. Денисенко Г.И. Возобновляемые источники энергии. К.: КПИ, 1979. 128 с.
3. Егоров П.В., Ульянов C.JL Электрическое и электронное оборудование современных автотранспортных средств. М.: РТУиС, МГИЭМ, 2003.
4. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат,1983. 360 с.
5. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990. 390 с.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доцент, erschov. serrg@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шефер Сергей Юрьевич, магистр, Kafelene@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE CURRENT STATE OF AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEMS
S.V. Ershov, S.Y. Shefer
The article deals with the construction of Autonomous power supply systems based on the use of photovoltaic plants, both individually and in their joint work with wind power plants. The analysis of the possibility of backup power through the AVR device from the network.
Key words: Autonomous power supply, photovoltaic installation, solar energy.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, erschov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shefer Sergey Yurievvich, magister, Kafelene@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
