Применение автономных систем электроснабжения на возобновляемых источниках энергии для снижения аварийности сельхозтехники в агропромышленных районах России

Введение. В России имеется одна из самых протяжённых сетей автомобильных и железных дорог, находящихся большей частью в южных климатических зонах. Эти дороги часто пересекаются, а в местах пересечения организуются железнодорожные переезды. Наиболее безопасными являются переезды, обеспеченные автоматической сигнализацией или ограничительным оборудованием. Есть районы расположения линий, где не существует централизованного электроснабжения. В таких районах регулировку движения автомобильного и железнодорожного транспорта на крупных магистралях производят дежурные сотрудники, но есть огромное количество несанкционированных нерегулируемых переездов, где наблюдается повышенная аварийность транспортных средств. В южных регионах европейской части России наблюдается самая высокая отрицательная статистика аварий, связанных с человеческими жертвами.

Из анализа статистических данных интерактивной карты ГИБДД по ДТП на железнодорожных переездах за октябрь 2021 года следует, что только в 28 областях увеличилось количество ДТП на железнодорожных переездах со смертельным исходом, где погибло 474 человека [1]. Наибольший рост происшествий со смертельным исходом наблюдается в Республике Башкортостан, в Челябинской, Свердловской, Тульской, Нижегородской, Иркутской областях, в Республике Дагестан. Но статистики по аварийности на неразрешённых переездах в литературе не приводится, так как она входит в состав ДТП на автодорогах. Также нигде не приводится ущерб сельхозтехники от аварий на таких переездах.

Практика показывает, что в южных регионах страны - Ставропольском, Краснодарском краях, Ростовской, Воронежской областях имеется особо разветвлённая сеть автомобильных и железных дорог. Там зачастую устраиваются местные, временные, технологические и стихийные переезды и, как правило, без согласования с местными властями и владельцами дорог. Эти сельскохозяйственные территории обрабатываются тракторами, комбайнами, самодвижущимися технологическими агрегатами, прицепными технологическими агрегатами, которым в силу специфики производства необходимо перемещаться по разным участкам. Также на этих территориях имеется значительная сельская и промышленная инфраструктура: элеваторы, ремонтные станции, временные зернохранилища, заводы, фабрики, воинские части и т.д., многие из которых имеют свои подъездные железнодорожные линии. В большинстве своём этой сельскохозяйственной технике в силу некоторых обстоятельств, административных или технических, запрещено перемещаться по дорогам общего пользования с твёрдым покрытием без разрешительных документов и им приходится обходиться местными грунтовыми дорогами, которые пересекают железнодорожные пути по несанкционированным переездам. Эти переезды могут иметь как временный характер, связанный с сезоном обработки земли, уборкой урожая, так и постоянный, связанный с проездом по более короткому или удобному маршруту.

Анализ публикаций в социальных сетях показал, что решение проблемы аварийности на несанкционированных пересечениях автомобильных и железных дорог весьма актуально. На этих пересечениях электрические сети, как правило, находятся на таком удалении, что тянуть их для мелких хозяйств слишком дорого, а установка и ввод в эксплуатацию предлагаемых автономных систем электроснабжения на таких переездах по затратам значительно дешевле. Это позволит перевести переезд из класса несанкционированных и нерегулируемых в класс разрешённых регулируемых переездов, что значительно снизит аварийность сельхозтехники.

Цель работы – разработка системы электроснабжения и разнотиповых преобразователей ВИЭ для электроснабжения одноуровневых пересечений автомобильных и железных дорог в районах с развитой сельскохозяйственной инфраструктурой.

Решением задачи электроснабжения отдельно расположенных переездов, особенно в удалённых от централизованных электросетей районах, может стать использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Мировая тенденция развития электроснабжения показывает рост возобновляемой энергетики. Практически на любой территории России есть возможность применения каких-либо ВИЭ. Но нельзя пренебрегать и потерями энергии, и недостаточной надежностью при использовании автономных систем, связанными с не полностью изученными возможностями таких систем. Снизить потери может использование объединенных комплексов ВИЭ и автономных источников энергии, а также применение современных преобразующих и контролирующих систем, позволяющих обеспечить гарантированное энергообеспечение потребителей.

Проблема энергоснабжения небольших железнодорожных объектов: переездов, туннелей мостов, разъездов и т.д., удалённых от централизованных энергосистем, сохраняет и ещё долго будет сохранять свою актуальность. Одним из вариантов решения этой проблемы в южных регионах является организация автономного электроснабжения, в котором резервным источником электроэнергии является жидкотопливный электрогенератор (ЖТЭ). Им может быть бензогенератор (БГ), дизельный генератор (ДГ), газотурбинный генератор (ГТГ), а основными источниками могут быть возобновляемые источники с резервированием энергии. В центральной части и северных территориях страны основными источниками являются ЖТЭ, а возобновляемые источники являются дополнительными источниками, основная функция которых - снижение себестоимости электроэнергии.

В любом районе страны существуют возобновляемые или ископаемые источники энергии, из которых можно получить тепловую или электрическую энергию. Этих ресурсов достаточно для жизнедеятельности человека.

Приход солнечной энергии на территории России далеко не везде одинаков. Это связано с тем, что угол наклона солнечных лучей на горизонтальную поверхность между северными и южными широтами имеет большой градиент, в результате чего приход солнечной энергии составляет от 6 кВт∙ч/м² в весенний и летний день до 0,1 кВт∙ч/м² в зимний пасмурный день [2–4].

Однако для многих регионов солнечная энергия может стать одним из основных возобновляемых источников энергии в системах индивидуального автономного электроснабжения ряда объектов, особенно на Дальнем Востоке, в Восточно-Сибирском районе, Якутии и на Северном Кавказе. Для использования этого ресурса наилучшим образом подходят установки прямого преобразования солнечного излучения с помощью полупроводниковых фотопреобразователей. В центральных и южных районах России за счет высокой инсоляции можно гарантированно обеспечить около 10% потребности в электроэнергии автономными фотоэлектрическими установками, например, небольшие производственные и бытовые железнодорожные объекты с апреля по сентябрь при максимальной эффективности их использования в комбинированных системах энергообеспечения.

К автономным солнечным установкам относятся энергоустановки, снабжающие энергией не только связанных и не связанных отдельных потребителей, но и тех, кто подключён к централизованному энергоснабжению [5]. Во втором случае не тре-буется значительных аккумулирующих устройств, так как нехватка энергии от солнечной установки восполняется от централизованной сети, а избыток направляется обратно в сеть. При автономном энергообеспечении потребителей, не связанных с централизованным энергоснабжением, требуется либо достаточно мощный аккумулятор, либо резервное генерирующее устройство на традиционных энергоносителях, способное оперативно восполнять недостаток энергии потребителя в соответствии с графиком нагрузки.

В России ветроэнергетические установки встречаются в районах с централизованным и децентрализованным энергоснабжением. Общая мощность этих станций составляет 105 МВт. С вводом в строй Ульяновской ВЭС-1 она возросла до 190 МВт установленной мощности. К 2023 году планируется, по данным Российской ассоциации ветроиндустрии, увеличение мощности на 3142 МВт.

Для оценки эффективности использования энергии ветра в конкретном регионе разрабатывается ветроэнергетический кадастр, включающий определение: среднепериодной скорости ветра; удельной мощности ветрового потока; ветроэнергетических ресурсов региона [6, 7, 8].

На нерегулируемых железнодорожных переездах предлагается использовать установки автономного электроснабжения, позволяющие полностью обеспечить бесперебойную работу шлагбаумов, светофоров, заградительных щитов и освещения [9].

Методика исследований. Методикой исследования предусматривается разработка системы автономного электроснабжения с использованием расчётных данных принятого оборудования и энергопотребления объекта. Основным критерием является система автономного электроснабжения, обеспечивающая гарантированную работу ограждающего и осветительного электрооборудования железнодорожных переездов и позволяющая перевести их из класса нерегулируемых в класс регулируемых, что существенно повысит уровень безопасности автодорожного движения [10, 11].

На основании проведенного анализа разнотиповых преобразователей ВИЭ для реализации проекта электроснабжения пересечений автомобильных и железных дорог разработана схема автономной системы электроснабжения гарантированного электроснабжения железнодорожного переезда, представленная на рисунке 1.

7          8

1 – мотор-генератор; 2 – нагрузка 220 В; 3 – коммутирующий блок; 4 – регулятор подачи топлива;

5 – блок управления; 6 – аккумуляторная батарея; 7 – солнечная электростанция (СЭС);

8 – ветряная электроустановка (ВЭУ); 9 – инвертор 24/220 В; 10 – нагрузка 24 В

Рисунок 1 – Блок-схема автономной системы гарантированного электроснабжения

1 – motor-generator; 2 – load 220 V; 3 – switching block; 4 – fuel supply regulator; 5 – control unit;

6 – storage battery; 7 – solar power plant (SPS); 8 – wind power plant (wind turbine); 9 – inverter 24/220 V;

10 – load 24 V

Figure 1 – Block diagram of an autonomous system of uninterrupted power supply

Наибольшее           потребление электроэнергии наблюдается в зимний период и связано это с освещением. Так, в средней полосе России с оборудованием для         двухпутного         переезда

WsЭС + Wc^ + W ВЭС     СЭС     БЭС где WСУС - выработка электроэнергии ВЭУ;

W СуС - выработка электроэнергии СЭС;

WсэТ —    необходимая    выработка электроэнергии ЖТЭ;

W_n СУТ - потери электроэнергии на её преобразование и накопление в АБ;

энергопотребление составляет 3,3 кВт·ч в сутки.

Уравнение суточного энергетического баланса     для     данной     системы электроснабжения можно представить равенством:

сут       сут

**Пот      ^W Har    ² '                       (1)

WHУСТ —   суточная потребность в электроэнергии;

2,0    –    коэффициент запаса электроэнергии      для      24-часового аккумулирования энергии.

Суточная        производительность резервного источника равна:

W₅? ^T = W ^сут •2-(W₆ ^сут + W_c' у ^т )+ W ₇ ^сут             (2)

БЭС     Наг          ВЭС      СЭС       Пот при условии, что АБ способна нести номинальную нагрузку системы в течение 24 ч, при номинальном напряжении системы постоянного тока UПС = 24 В.

Для проведения экспериментальных исследований разработан и изготовлен экспериментальный автономный энергетический комплекс, имитирующий работу системы электроснабжения переезда, который представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Экспериментальный автономный энергетический комплекс

Figure 2 – Experimental autonomous energy complex

В комплекс   входит   следующее энергооборудование:

– ветряная электроустановка УВЭ 300 24-22;

– солнечная батарея TopRaySolar 250M – 24 В;

– бензогенератор УД-2;

–  зарядное устройство ЗУ-24-500

«Ветерок»;

– контроллер заряда солнечных батарей SollarcontrollerMorningstar TS-MPPT-45;

– инвертор TS-1500;

– аккумуляторные батареи 4 × 100 А·ч;

– коммутирующий блок.

Установка           энергетического оборудования       производится       в непосредственной близости от охранной зоны железнодорожной линии и требует соблюдения определенных условий. Для оценки эффективности использования энергии ветра на месте размещения ВЭУ используется атлас ветров, по которому определяется ветроэнергетический потенциал в данной местности. ВЭУ размещается на открытой местности с учётом преобладающего направления ветров, их скорости в течение года и наличия околоземных препятствий.

Мощность солнечной батареи рассчитывается по критерию выработанной энергии в зимний период, поэтому для минимизации эксплуатационных затрат и противодействия налипания снега она устанавливается вертикально, ориентированной на юг. В летний период солнечная батарея имеет излишнюю мощность, её вертикальная установка должна обеспечить приход необходимого количества энергии, а в зимний, при угле склонения солнца 16–20°, незначительная потеря энергии большого влияния не оказывает. Недостающую энергию восполняет БГ.

Результаты исследований и их обсуждение. Для снижения аварийности при пересечении автотранспортом и сельхозтехники для электроснабжения несанкционированных железнодорожных переездов предлагается использовать разработанную автономную энергетическую систему с использованием традиционных и возобновляемых источников энергии, позволяющую полностью обеспечить установленное оборудование переезда: шлагбаумы, светофоры, заградители и освещение и тем самым перевести переезд из класса несанкционированных в класс разрешённых.

К экспериментальному энергетическому комплексу, имитирующему электроснабжение оборудования железнодорожного переезда, подключалась активная и индуктивная нагрузка.

Проведённые экспериментальные исследования показали, что энергетический комплекс напряжением 24 В обеспечивает выработку электроэнергии в летнее время 3,7 кВт·ч в сутки. За время эксперимента зафиксирован период времени длительностью в 28 дней в июне-июле, когда выработка электроэнергии производилась только за счёт солнечной батареи и ВЭУ.

Подтверждено, что описанные в литературе гибридные энергетические системы, в которые входят топливные и возобновляемые электрогенераторы, могут гарантированно обеспечивать электроэнергией особо важные объекты, имеющие большой набор заградительного оборудования, где недопустимы перерывы в работе [12, 13, 14, 15].

На рисунке 3 представлен график помесячной выработки электроэнергии энергетическим комплексом.

Уровень напряжения системы электроснабжения выбран в соответствии с техническими характеристиками оборудования, производимого заводами-изготовителями: шлагбаумов, заградителей, освещения и т.д., с рабочим напряжением 24÷28 В постоянного тока. Бензогенератор УД-2 имеет выходное напряжение 28 В постоянного тока, что удачно сочетается с условиями заряда аккумуляторных батарей.

Результаты проведённых экспериментальных исследований показали, что разработанный энергетический комплекс полностью обеспечивает электроэнергией всё оборудование и заряд аккумуляторных батарей ёмкостью 200 А·ч с резервированием 24 часа.

Months

Всего Total ветроэнергетическа     солнечная я установка             электростанция windturbine               solarpowerplant бензоэлектрогенерато р benzoelectricgenerator

Рисунок 3 – График помесячной выработки электроэнергии

Figure 3 – Schedule of monthly electricity generation

Выводы

• 1.    Использование разработанного энергетического комплекса на традиционных и возобновляемых источниках энергии позволяет решить проблему электроснабжения технологических, стихийных и временных железнодорожных переездов, что значительно снизит аварийность на транспорте.

• 2.    Применение СЭС и ВЭУ в разработанной автономной системе электроснабжения повышает надёжность работы энергетического оборудования и позволяет получить 1361 кВт·ч дополнительной энергии, что составило 78% от общего количества потреблённой энергии.

• 3.    Для повышения надёжности энергообеспечения автономная система должна иметь топливный источник энергии, обеспечивающий в длительные периоды низкого солнечного излучения и безветрия работу энергетического комплекса, что по результатам проведённых экспериментальных исследований составило 391 кВт·ч, или 22% от общего количества выработанной энергии.