CC BY
19УДК 621.311.68
О.А. Бурмакин, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» Ю.С. Малышев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Ю.В. Варечкин, доцент, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Ключевые слова: судовая электроэнергетическая система, возобновляемые источники энергии, комплексная электростанция.
Изложена целесообразность применения возобновляемых источников энергии на судах и выполнено обоснование типов их конструктивного исполнения. Приведены результаты эмпирических исследований работы солнечных батарей. Предложена схема комбинированной СЭЭС с применением возобновляемых источников энергии.
Рост цен на энергоресурсы, достижения в науке и технике обусловили применение на судах возобновляемых источников энергии. Одним из таких источников являются солнечные батареи (СБ). В современном кораблестроении есть опыт постройки судов с их использованием. На прогулочных катерах и судах с малым водоизмещением совместно с аккумуляторами они могут быть единственным источником энергии, а на других типах судов - дополнительным. Наиболее простым является горизонтальное размещение солнечных элементов. Для этого необходимо организовать площади для их установки.
Наилучшие показатели имеют моно и поликристаллические кремниевые элементы. Они способны вырабатывать порядка 120 Вт/м2. Для обеспечения электроэнергией судна вместимостью до 5000 тонн требуется электростанция мощностью приблизительно 30 кВт. Таким образом для размещения батарей требуется примерно 200 м2 площади поверхности, что вполне возможно обеспечить особенно на наливных судах.
Эмпирические исследования, проведенные с помощью батареи состоящей из 35 поликристаллических кремниевых элементов мощностью 3,2 Вт каждый (рис. 1), показывают, что при затенении каждых 3 % элементов вырабатываемая мощность снижается на 20 % (рис. 2).
Рис. 1. Исследуемая солнечная батарея
О.А. Бурмакин, Ю.С. Малышев, Ю.В. Варечкин
Возобновляемые источники энергии в судовой электроэнергетической системе
ВАХ от тени
-Естественная
-1 закрыта (3%)
-2 закрыто (6%)
-2 закр не послед (6%)
-3 закр (9%)
-4 закр 12%_
Рис. 2. Зависимость вольтамперной характеристики батареи от площади тени
Снижение мощности связано с током утечки затененных элементов, который может быть уменьшен включением диодов параллельно каждому элементу солнечной батареи, что позволяет также защитить элементы от повреждений чрезмерно высоким током утечки.
Второй причиной снижения вырабатываемой мощности является изменение угла падения солнечного света в течение дня (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость ВАХ батареи от угла падения света
Так при изменении угла от 90 до 30 градусов вырабатываемая мощность при токе нагрузки в 3 А изменяется от 51 до 36 Вт то есть уменьшается на 30%, при токе в 4 А угол падения света не должен превышать 50 градусов. Таким образом, выработка номинальной мощности возможна только при падении света под углом 80-90 градусов, что в течение дня невозможно обеспечить при горизонтальном исполнении батарей.
Применение систем позиционирования солнечных батарей увеличивает затраты на собственные нужды и парусность судна. Однако, такие системы нашли применение и получили развитие в виде телескопической системы Роджера Ангела из Университета Аризоны (рис. 4).
Конечно, системы солнечных концентраторов - оптические системы линз, отражателей и фотогальванических элементов - разрабатывались и раньше, с более или менее выраженным успехом. Отличием новой системы Роджера Ангела является фокусировка солнечных лучей с помощью отражателей и шарообразных линз в оптической воронке, где концентрация лучей увеличивается в 1200 раз, прежде чем они попадают на фотоэлектрические элементы, расположенные позади воронки. Размер каждой воронки подобран так, чтобы все фотоэлектрические элементы получали одинаковое количество света и вырабатывали примерно одинаковое количество электричества.
Рис. 4. Система позиционирования солнечных батарей Роджера Ангела
Вся система «энергетического телескопа» является уникальной с нескольких точек зрения. Во-первых, она не использует воду и оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. Во-вторых, в отношении количества сгенерированной энергии к занимаемой земельной площади установка значительно выигрывает у существующих систем. Модульные механизмы слежения за Солнцем, легкие и открытые конструкции, собираются прямо на месте.
Вместо дорогих фотоэлектрических элементов в солнечном телескопе использованы имеющиеся в продаже солнечные элементы тройного соединения для захвата различных длин волн света. Эти солнечные элементы имеют в два раза большую эффективность преобразования по сравнению с обычными однопереходными элементами.
Один телескоп представляет собой установку из восьми тарелок-отражателей и связанных с ними оптическими и фотоэлектрических элементов, вместе с компонентами охлаждения и отслеживания, интегрированных в конструкцию из высокопрочной низколегированной стали. Однако такой вид батарей обладает повышенной парусностью и требует дополнительного пространства для размещения. Кроме того при движении судна необходима система ориентации на солнце.
Наиболее перспективными для применения на судах являются батареи конической формы, которые лишены указанных недостатков (рис. 5).
О.А. Бурмакин, Ю.С. Малышев, Ю.В. Варечкин
Возобновляемые источники энергии в судовой электроэнергетической системе
Рис. 5. Батареи конической формы компании Solarphasec
Например, компания Solarphasec [2] представила новый тип солнечных панелей, которые эффективно вырабатывают электричество. Панели под названием Sentinel имеют необычную конусовидную конструкцию, что позволяет экономить место и поглощать максимальное количество солнечного света. Конусы высотой 1 и шириной 1,2 метра, в отличие от традиционных плоских панелей, не затеняют друг друга и позволяют создать электростанцию с большой площадью солнечных ячеек на небольшом участке. Кроме того, коническая форма значительно снижает ветровую нагрузку, что позволяет их устанавливать не только на палубе , но и на надстройке.
Конические солнечные панели:
- имеют мощность 1-3,5 кВт,
- позволяют создавать мощные электростанции, состоящие из десятка конических модулей,
- производят переменный ток, поэтому нет необходимости использовать дорогостоящие инверторы, которые к тому же приводят к потерям энергии,
- преобразуют в электроэнергию и солнечное тепло, которое снижает эффективность обычных кремниевых солнечных ячеек.
Благодаря оригинальной конструкции, по сравнению с плоскими солнечными панелями Sentinel вырабатывает на 40% больше электроэнергии в течение дня и на 60% - в течение года. В целом, при одинаковой площади, занимаемой обычной плоской и конусовидной солнечными панелями, последняя улавливает в 4 раза больше света.
Таким образом, наиболее целесообразным является применение на судах солнечных батарей конусовидной конструкции для обеспечения электроснабжением потребителей, как во время стоянки, так и во время движения судна, что позволит осуществлять экономию топлива за счет снижения расхода топлива на работу дизель-генератора.
Для обеспечения максимальной экономии топлива и надежного электроснабжения судна схема судовой электростанции (рис. 6) должна содержать: солнечную батарею, ветроустановку, дезель-генераторную установку, валогенераторную установку, инвертор и средства управления системой.
Ветроустановку целесообразно применять вертикального типа [3, 4], так как они обладают гироскопическим эффектом и занимают меньше места на палубе.
од I «в:
Рис. 6. Схема комбинированной СЭЭС
Мощность возобновляемых источников, в этом случае, целесообразно выбирать по мощности нагрузки в ходовом режиме. При отсутствии солнца и достаточной силе ветра ВЭУ может автономно обеспечить электроэнергией ходовые потребители, а при снижении ветра ВГУ будет забирать необходимую мощность на себя. Предложенная схема обеспечивает автоматическое распределение мощности между СБ, ВГУ и ВЭУ. Стабилизация напряжения и частоты генерируемой электроэнергии осуществляется инвертором и системой стабилизации напряжения в звене постоянного тока. Таким образом, есть возможность параллельной работы комбинированной системы СБ, ВГУ и ВЭУ с основной судовой электростанцией.
Основные требования к ветродвигателю судовой ВЭУ следующие: наименьшие массогабаритные показатели при широком рабочем диапазоне скорости ветра и максимальной эффективности; наименьшее влияние на технические характеристики судна; малые шумы и вибрации; безопасность простота обслуживания. Этим требованиям удовлетворяют ветродвигатели с вертикальной осью вращения [3, 4].
Основные требования, предъявляемые к солнечным батареям для установки на судно: наименьшие массогабаритные показатели, виброустойчивость, грязеотталки-вающее покрытие, водонепроницаемость, стойкость к агрессивным средам, прочность при изгибании. Этим требованиям удовлетворяют моно и поликристаллические солнечные батареи с органическим стеклом или плексигласом.
Для предотвращения отключения напряжения в случае резкого прекращения ветра или переходе с одного типа источника на другой установлена аккумуляторная батарея напряжением 230 В и емкостью 45 А/ч, позволяющая обеспечить питанием потребителей в течении 20 мин.
В зависимости от района плавания судна, применение ветроэнергетической установки и СБ на судне в совокупности с валогенераторной энергетической установкой может значительно снизить потребление топлива и как следствие уменьшить стоимость электроэнергии.
О.А. Бурмакин, Ю.С. Малышев, Ю.В. Варечкин
Возобновляемые источники энергии в судовой электроэнергетической системе
Список литературы:
[1] http://www.ekopower.ru/?p=1244
[2] http://www.bemeto.ru/eco-energy/solnechnaya-panel-konus
[3] http://helixturbineenergy.com/
[4] Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с.
RENEWABLE ENERGY IN SHIP ELECTRIC POWER SYSTEM O.A. Burmakin, Yu.S. Malyshev, Yu.V. Varechkin
Keywords: ship power system, renewable energy sources, complex power station.
Set out the feasibility of using renewable energy sources on the ship and justifications of types of their design. The results of empirical studies of solar panels are shown. Proposed a scheme combined ship power system using renewable energy sources.
УДК 621
A.Н. Мальцев, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
О.С. Хватов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
B.А. Тихомиров, к.т.н., доцент НГТУ им. Р.Е. Алексеева 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
ТЕХНИЧЕСКАЯ АКТУАЛЬНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ НА БАЗЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ И ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА
Ключевые слова: преобразователь частоты, энергоэффективность, автоматизация, канализационные насосные станции, программируемый логический контроллер.
Настоящая статья раскрывает техническую актуальность применения частотного регулирования скорости на канализационных насосных станциях. Определены ограничения по диапазону регулирования скорости вращения насосного агрегата. Получены значения КПД насоса от переменной скорости его вращения. Также предложена схема модернизации типовой канализационной насосной станции на базе преобразователя частоты и программируемого логического контроллера. Предложена организация оптимального алгоритма управления КНС с адаптивной самонастраивающейся системой поиска оптимальной скорости вращения насоса в зависимости от количества поступаемых стоков на базе ПЛК.
Одним из основных ресурсов, которые человек использует в своей жизнедеятельности, является вода. Расход электроэнергии на перекачку чистых и сточных вод с учетом оборотного водоснабжения в России оценивается в 120-130 млрд. кВтч/год, стоимость которой оценивается в 215-235 млрд. рублей [1]. От 30 до 40% электроэнергии теряется из-за сравнительно низкой энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, а также их работы с превышением напора.
