CC BY
5
Novakov Alexander Victrovich, postgraduate, sanyatopor87@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Dubalsky Vyacheslav Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, dubal@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gladkov Vyacheslav Valer'evich, undergraduate, slava.gladkov00@mail.ru, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-533-537
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЪЕКТОВ НАЗЕМНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ
С.И. Богомолов, В.Н. Щельников
В статье изложены принципы повышения энергоэффективности объектов наземной космической инфраструктуры арктической зоны России. Исследованы особенности применения дизельных электрических станций совместно с ветроэнергетическими установками, фотоэлектрическими преобразователями и тепловыми насосами.
Ключевые слова: арктическая зона, объекты наземной космической инфраструктуры, возобновляемые источники энергии, комплексная система энергоснабжения.
В настоящее время объекты наземной космической инфраструктуры (ОНКИ), расположенные в арктической зоне (АЗ) Российской Федерации (РФ), обеспечиваются энергией тепловыми и электрическими станциями, которые используют невозобновляемые источники энергии и требуют большого их запаса. Поэтому применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является актуальной задачей повышения энергоэффективности ОНКИ.
В арктической зоне РФ можно условно выделить четыре климатических района [1].
Первый климатический район - западный район, охватывающий Баренцево и Карское море, архипелаги Земля Франца-Иосифа и Новая Земля.
Второй климатический район - сибирский, в который входят восточная часть Карского моря с архипелагом Северная Земля, море Лаптевых с Новосибирскими островами и большая часть ВосточноСибирского моря.
Третий климатический район - восточный район, охватывающий восточную часть ВосточноСибирского моря и все Чукотское море.
Четвертый климатический район - высокоширотный район Арктического бассейна, ограниченный с юга островами и архипелагами, а с севера - северным полюсом.
Характерными особенностями арктической природы являются [1, 2]:
низкий солнечный радиационный потенциал в пределах от 10 Вт/м2 до 250 Вт/м2;
близкие к 0°С средние температуры летних месяцев при средней годовой температуре ниже
0°С;
минимальные зимние температуры: от -35°С до -15°С;
длительные градусо-сутки отопительного периода (5600-7700);
ветровые напоры воздуха - постоянные с минимальными значениями 5-6 м/с, кратковременные - более 30 м/с (шторм) и 60 м/с (ураган).
Современная энергетика характеризуется усилением тенденций диверсификации источников на базе развития новых технологий. Возобновляемая энергетика занимает особое место среди всех видов энергии. В составе ВИЭ могут использоваться ветроэнергетические установки (ВЭУ), гидроэнергетические станции (ГЭС) (в т. ч. микро-, мини- и малые ГЭС), солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), биогазовые установки (БГУ), а в числе нетрадиционных источников энергии (тепла) - тепловые насосы (ТН) с использованием в испарителе низкопотенциального тепла грунта, сбросных подземных вод, вод озер, рек, морей [3, 4]. Для повышения эффективности и надежности энергообеспечения объектов ОНКИ необходимо применять перспективные комплексные системы (КС) ВИЭ с расширенным набором разных видов источников энергии: традиционных (передвижных и стационарных), нетрадиционных и гибридных.
Все КС ВИЭ условно могут быть отнесены к одному из пяти основных типов [5], каждый из которых должен надежно обеспечить определенный задаваемый уровень мощности (долю энергетических потребностей) от полной потребности в энергозатратах по объекту, независимо от отсутствия какого-либо одного из источников энергии (табл.1).
Таблица 1
Классификация КС ВИЭ по замещаемой мощности_
Тип КС ВИЭ по мощности Доля замещаемой мощности (%)
Полная 100
Средняя 25-50
Малая 15-25
Мини 5-15
МикроКС До 5
Поиск оптимального по составу оборудования КС ВИЭ необходим для снижения средств на первоначальные (капитальные) затраты по приобретению эффективной и независимой системы энергоснабжения и уменьшения уровня эксплуатационных затрат. Поиск построен на основе определения минимума функции дисперсии стоимости энергии D(Y/a), вырабатываемой КС ВИЭ [2].
Эта величина положена в основу целевой функции для КС ВИЭ следующего вида:
n n
D(Y/a)= Е Е Oj [xi xj] ^ min,
i=1 j=1 (1)
где Y/a = x0 r0 + xi Y1 + x2 Y2 +... + xn Yn; Yn - стоимость энергии, вырабатываемой КС ВИЭ за единицу времени (это случайная величина, тогда как первое слагаемое в правой части - не случайно); a - количество электроэнергии, вырабатываемое КС ВИЭ в единицу времени; xi Xj - доли установленной мощности каждого из видов ВИЭ, входящих в КС; Oj - выборочная ковариация, вычисленная по выборкам для Yi, Yj, при следующих ограничениях:
xo+x1 +x2+.. ,+xn =1; xo r0 + x1 m1+ ...+ xn mn=A; xi, Xj > 0, i, j =1, 2,.. ,,n, где r0 - стоимость эксплуатации безрискового источника (дизельной электрической станцией (ДЭС))за единицу времени (здесь содержится как стоимость оборудования, так и стоимость обслуживания); x0 -доля (от A), вырабатываемая безрисковым источником; xm - доля (от A), вырабатываемая m рисковым источником (ВИЭ); mOT- средняя стоимость энергии, вырабатываемой m источником за единицу времени (выборочное среднее по YOT); A - допустимый уровень средней стоимости 1 кВт^ч эл. энергии, вырабатываемой кластером (A< ro).
Наиболее эффективной КС ВИЭ для ОНКИ можно считать КС на базе ДЭС совместно с ВИЭ: ВЭУ, ФЭП и ТН. (рис. 1).
Обозначения
.............соединения переменного тока
_соединения переменного тока
Рис. 1. Структурная схема комплексной системы на возобновляемых источниках
электроснабжения
На рис. 2 представлено определение минимума функции дисперсии стоимости для энергии, вырабатываемой КС ВИЭ за единицу времени.
Особенности использования структурных элементов ВС ВИЭ ОНКИ.
Дизельные электрические станции. ДЭС объединяют в себе генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания, которые установлены на стальной раме, а также систему контроля и управления установкой. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) приводит в движение синхронный или асинхронный электрический генератор. Соединение двигателя и электрического генератора производится либо напрямую фланцем, либо через демпферную муфту [4].
Для КС ВИЭ должны использоваться ДЭС на переменном напряжении 3-х фазные на 220/380 В частотой 50 Гц жидкостного охлаждения мощности выходного напряжения 6-400 кВт синхронные и асинхронные стационарные с мощностью двигателя внутреннего сгорания на 300-2000 л.с. с частотой
Рис. 2. Графическая интерпретация оптимума ВИЭ:ФЭП+ВЭУ+ТН
Тепловые насосы. Использование ТН в составе КС ВИЭ относится к безрисковому способу получения тепла ввиду отсутствия воздействия природных стохастических факторов при условии использования в качестве низкопотенциального источника тепла (НПИТ) грунта (имеющего на глубине от 2,5 м до 100 м постоянную температуру от +5° С до +20° С), воды рек, морей или искусственных водоемов (температура даже зимой не ниже +4°С), воздух.
Функционирование ТН зависит только от наличия привода для компрессора, а эффективность - от температуры используемого НПИТ. Тепловой насос не имеет топливной составляющей и затрачивает электроэнергии в 3-4 раза меньше, чем электрический котел, вследствие чего прямые эксплуатационные расходы на ТН меньше [5, 6].
Аккумуляторные батареи (АБ). В КС ВИЭ могут использоваться промышленные аккумуляторы серии ЛМ для ВИЭ (необслуживаемые) емкостью 150^5000 Ач, напряжением 24^96 В, размерами 182х153х415^3000х2400х2400 мм; а также №-Солевые накопители энергии для ВИЭ (необслуживаемые) емкостью 200^5500 Ач, переменным напряжением на выходе 110/220 В.
Ионисторы. Ионисторы в КС ВИЭ должны использоваться совместно с АБ. Преимущества совместного применения ионисторов и аккумуляторных батарей:
1. Суперконденсаторы применяются для кратковременного обеспечения резервного питания различной аппаратуры при провалах напряжения или отключении основного источника питания, при замене АБ. Суперконденсаторы кратковременно обеспечивают работу исполнительных механизмов (заслонки, задвижки, краны, приводы и др.), позволяют сохранить или отправить данные, произвести штатное завершение работы аппаратуры.
2. Суперконденсаторы обеспечивают мощное импульсное питание различной аппаратуры. В сравнении с аккумуляторами суперконденсаторы обеспечивают большую удельную мощность, имеют шире температурный диапазон и являются более стойкими к большим разрядным токам.
3. Во всех случаях суперконденсаторы служат быстроперезаряжаемыми накопителями электрической энергии, с относительно низким уровнем саморазряда и токов утечек.
Солнечные батареи. В КС ВИЭ для ОНКИ могут использоваться солнечные электростанции типа ЭС с нижеприведенными характеристиками (табл. 3). ФЭП должны использоваться совместно с ионисторами, АБ и ВЭУ. Главная их задача - накопление электрической энергии для работы системы электроснабжения в пиковые или резервные моменты.
Таблица 2
Основные характеристики солнечных электростанций_
Тип 72,6 кВт/сут - 2100 кВт/мес 145,21 кВт/сут - 4000 кВт/мес
Суммарная мощность солнечных панелей 1500Вт 24В 3000 Вт 24В
Максимальная выработка в сутки 72,6 кВт 145,21 кВт
Максимальная выработка в месяц 2100 кВт 4000 кВт
Максимальная мощность подключаемой нагрузки 13,5 кВт/ч (Чистый синус) 18 кВт/ч (Чистый синус)
Выходное напряжение электростанции 380В 380В
Аккумуляторный массив 1800 48В (GEL) 3600 48В (GEL)
Аккумуляторы могут сохранить 72 кВт 144 кВт
Тип солнечных панелей Монокристаллические Монокристаллические
Срок службы солнечных панелей, лет 30 лет 30 лет
Выводы. При применении в КС возобновляемых источников энергии использование углеводородного топлива для ДЭС может сократится на 60-70%, при этом значительно увеличится надежность работы всей энергетической системы обеспечения тепловой и электрической энергией ОНКИ.
Список литературы
1. Геология СССР. Том XXVI. Острова Советской Арктики. Геологическое описание. М., «Недра», 1970. 548 с.
2. Ликутин Б.В. Возобновляемые источники электрической энергии: Учебное пособие. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2008. 184 с.
3. Велькин. В.И. Методология расчета комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах: монография. Екатеринбург: УрФУ, 2015. 226 с.
4. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технология / П. П. Безруких, Д. С. Стребков. М.: ВИЭСХ, 2005. 263 с.
5. Зайцев В.М., Чернявский А.А., Новиков Н.Л., Новиков А.Н. Стратегия инновационного развития электроэнергетики в арктической зоне России // Синергия Арктики. 2008. С. 68-78.
6. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: использование с применением тепловых насосов // Г.К. Ким, В.Н. Цой, М.Г. Климов. Нижн. Новгород: ННГАСУ, 2013. 50 с.
Богомолов Сергей Иванович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Щельников Валерий Николаевич, канд. техн. наук, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
IMPROVING THE ENERGYEFFICIENTY OF GROUND-BASED SPACE INFRASTRUCTURE FACILIYIES
IN THE ARCTIC ZONE OF RUSSIA
S.I. Bogomolov, V.N. Shchelnikov
The article describes the construction of energy system of object of ground infrastructure of the Arctic zone of Russia to improve its efficiency. The features of the use of diesel-electric station in conjunction with wind power plant, photovoltaic converters and heat pumps are investigated.
Key word: Arctic zone of Russia, renewable energy sources, integrated energy supply system.
Bogomolov Sergey Ivanovich, candidate of technical sciences, senior researcher of military institute (researcher), vka@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Mozhaisky Military Aero-Space Academy,
Shchelnikov Valeriy Nikolaevich, candidate of technical sciences, Russia, Saint-Petersburg, Mozhaisky Military Aero-Space Academy
