Альтернативные источники энергии. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Статья научная
Синтез и исследование любых гелиоустановок сопряжён с необходимостью выявления регулярных особенностей движения рабочего органа, угловое положение которого регулируется в эвклидовом пространстве. Эту информацию можно получать обработкой данных об угловом положении Солнца в заданных географических координатах. Локальность во времени всех алгоритмов вычисления солнечной позиции не позволяет анализировать годовой и суточный цикл движения Солнца в едином виде. Для решения этой задачи мы применили новый принцип обработки результатов расчёта, который заключается в следующей последовательности действий. Используя астрономический алгоритм NREL SPA, в основе которого лежат нелинейные тригонометрические уравнения, построены двухмерные поверхности азимутальных из зенитных углов. Путём аппроксимации этих поверхностей полиномами высокого порядка и дифференцирования этих полиномов по времени получены поверхности азимутальных из зенитных угловых скоростей, ускорений и рывков. Расчётные коэффициенты полиномов сведены в таблицы, чтобы в дальнейшем их можно было применять для оценочных расчётов в рамках структурного и параметрического синтеза электротехнических комплексов слежения за Солнцем в заданном географическом местоположении. Для проверки степени совпадения с готовыми локально-временными онлайн-алгоритмами мы выбрали онлайн-калькулятор MIDC SPA Calculator. Сопоставление результатов полиномиальной аппроксимации с данными расчётов по этому онлайн-калькулятору показывает хорошее совпадение результатов и низкий уровень ошибок.
Бесплатно
Статья научная
Проблема эффективного электроснабжения сельских потребителей не решена в полном объеме до сих пор. Одним из путей решения данной проблемы является разработка микротепловой электростанции, способной функционировать практически на любом топливе. Использование собственного источника энергии позволит снизить затраты на ее производство для фермерского хозяйства. Существенно повышаются показатели надежности электроснабжения и обеспечивается ее бесперебойная поставка потребителю. Предложенная нами электростанция приводится в действие тепловым двигателем с внешним подводом теплоты. Приведены некоторые результаты компьютерного моделирования двигателя с внешним подводом тепла, который работает по принципу Стирлинга. Рассмотрены конструктивные особенности разрабатываемого двигателя.
Бесплатно
Моделирование автономной фотоэлектрической системы в программной среде MATLAB Simulink
Статья научная
Показана возможность построения математических моделей любого фотоэлектрического модуля при известных показателях температуры поверхности модуля и солнечной радиации. В результате моделирования получены зависимости вольтамперных характеристик модуля от температуры и солнечной радиации. Разработана математическая имитационная модель автономной фотоэлектрической системы, включающей в себя фотоэлектрические модули, инвертор, LCL-фильтр, однофазный трансформатор и потребитель электрической энергии. Имитационное моделирование выполнено в среде MATLAB Simulink.
Бесплатно
Статья научная
При расчете и разработке накопителей на базе многоэлементной литий-ионной батареи, а также системы контроля и управления его параметрами необходимо оценить поведение одиночного аккумулятора в процессе разряда, заряда и в экстремальных условиях при критических значениях основных параметров. Разработка полномасштабной и достоверной модели, а также экспериментальное подтверждение выбранной модели является актуальной инженерной задачей. При этом модель должна отличаться простотой реализации и относительно небольшим объемом и приемлемой скоростью вычислительных операций. Для моделирования многоэлементной аккумуляторной батареи из ячеек с известными и схожими характеристиками, а также для проектировки и разработки систем по контролю и управлению многоэлементной батареей эмпирическая модель на основе эквивалентной схемы обладает достаточной простотой реализации, а также достаточной точностью оценки параметров аккумуляторной батареи. Эквивалентная схема была составлена при помощи языка и блоков Simscape в среде MATLAB. Каждый элемент схемы представляет собой набор экспериментально полученных значений основных параметров литий-ионного аккумулятора. Также в работе рассмотрена модель литий-ионного аккумулятора из библиотеки Simulink MATLAB. На основе результатов сравнения экспериментальных и смоделированных данных даны рекомендации в выборе модели при разработке системы контроля и управления литий-ионной аккумуляторной батареи.
Бесплатно
Статья научная
Проведено математическое моделирование работы автономной системы, включающей ветровую турбину, асинхронный генератор, синхронный компенсатор, дизельный двигатель в качестве резервного источника и переменную регулирующую нагрузку. Использована нестандартная модель для задания скорости ветра, включающая случайные колебания, порывы и затишья. По результатам моделирования при номинальной мощности системы 275 кВт и линейном напряжении 380 В колебания частоты при регулировании не превышают 1 Гц, колебания напряжения менее 15 В.
Бесплатно
О возможности получения энергии при электрических разрядах
Статья научная
Описана экспериментальная установка и результаты исследования возможности получения тепловой и электрической энергии при электрических разрядах большой мощности в водно-солевых растворах.
Бесплатно
Статья научная
Представлено исследование преимуществ и недостатков магнитной левитации ротора ветроэнергетической установки. В мировом научном сообществе представлено много исследований об использовании магнитной левитации роторов ветроэнергетических установок. Однако наблюдаются не только преимущества, но и некоторые отрицательные стороны «магнитного подшипника» в ветроэнергетических установках, что приводит к вопросу о целесообразности применения данного технического решения. Авторами выявлены основания повышенного внимания к магнитной левитации ветроколеса и проанализированы основные подходы к проектированию. Работа включает в себя расчет магнитной опоры и оценку стоимости вертикально-осевой ветроэнергетической установки с магнитным подшипником ротора. Результаты исследования показали, что экономическая эффективность этого подхода крайне низка и не оправдана для использования в коммерческих продуктах.
Бесплатно
Опреснение воды с использованием энергий ветра и солнца
Статья научная
Приводится обзор состояния питьевой воды для населения, показаны способы, применяемые для очистки и опреснения воды, и варианты их сочетания с возобновляемыми источниками энергии (солнца, ветра и др.), рассмотрены варианты работы ветросолнечных опреснительных установок.
Бесплатно
Статья научная
Предложен новый подход к решению задачи построения и выбора оптимальной схемы прокладки кабельной сети сбора мощности морских ветроэлектростанций для повышения их технико-экономической эффективности. Целью оптимизации является снижение общей стоимости кабельной сети и затрат на коммутационное оборудование с учетом технических ограничений, в число которых входит обеспечение выбора достаточных по проводимости сечений кабелей и исключение их взаимного пересечения на схеме. Поставленная задача сведена к построению минимального остовного дерева с ограничением на проводимость связей и степень узлов (Degree-constrained capacitated minimum spanning tree - DCMST). Методика поиска решения базируется на применении комплексного подхода, состоящего в использовании двух алгоритмов: эвристического алгоритма с параметризованной функцией компромиссных решений, выполняющего непосредственно построение схемы, и эволюционного алгоритма (роя частиц), осуществляющего подбор параметров первичного алгоритма, что позволяет достичь более качественных решений. Тестирование методики проведено на основе ряда испытаний, в ходе которых выполнялось построение схем и сравнения полученных результатов с решениями, выполненными другими алгоритмами. Результаты тестовых испытаний показали, что предложенный подход позволяет заметно повысить экономичность построенных схем, что продемонстрировано в серии испытаний и оценено путем сравнения с другими методиками, а также путем сопоставления технико-экономических показателей оптимизированных схем с фактической схемой морской ветроэлектростанции Walney1.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена разработке методики и программного приложения для оптимизации состава оборудования гибридных энергетических систем с возобновляемыми источниками энергии. Приведено описание предлагаемой методики и математических моделей основных компонентов гибридных систем: фотоэлектрической станции, ветроэнергетической установки, аккумуляторной батареи и дизель-генераторной установки. Отличительной особенностью предлагаемой методики является использование для прогнозирования солнечной радиации оригинальной модели на базе данных Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства. Это позволяет ее использовать для прогнозирования основных характеристик солнечного излучения в любой географической точке России, в том числе и для территорий, по которым отсутствуют результаты регулярных актинометрических наблюдений. Для прогнозирования суточного хода скорости ветра используется функция обратного распределения Вейбулла, что обеспечивает повышение достоверности прогнозирования выработки электроэнергии ветроэнергетической установкой на суточных временных интервалах. Для решения оптимизационной задачи используется эволюционный алгоритм роя частиц, который обеспечивает надежное и эффективное определение глобального экстремума целевой функции при различных критериях оптимизации и ограничениях. Рассмотрен практический пример применения методики для выбора оптимального состава оборудования гибридной энергетической системы с различной конфигурацией оборудования, территориально размещенной в районе города Владивостока. Методика реализована в виде программного приложения в популярном математическом комплексе MATLAB, что обеспечивает удобство ее практического применения.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена определению уровня использования энергоресурсов, при котором энергозатраты достигают минимального значения. На примере автономной системы электроснабжения небольшого поселка, включающей несколько возобновляемых и резервный источники электроэнергии, обоснованы параметры автономного энергокомплекса и оптимизирована структура энергетических потоков c использованием методов математического моделирования, являющихся наиболее достоверными и обоснованными. Для исследования вопросов, связанных с оптимизацией структуры энергетических потоков, используется системный подход для выбора решений, при котором объект рассматривается как сложная система, состоящая из множества элементов, работа каждого элемента оптимизируется с учетом его связи с другими элементами и влияния на работу объекта в целом. Решение задачи оптимизации осуществляется с помощью аналитических и численных методов, в результате определяются оптимальные энергопотоки и удельные годовые приведенные затраты. Задача решается методом «ветвей и границ» дискретного программирования.
Бесплатно
Ортогональная сбалансированная ветроэнергетическая установка малой мощности
Статья научная
На основе анализа проблем, связанных с влиянием на ветроэнергетические установки внешних факторов, предлагается упрощенный способ оптимизации конструкции элементов установки. Приведены решения замены криволинейных лопастей отрезками прямых, что повысило аэродинамическое качество лопастей. По вырабатываемой мощности, скорости вращения и инерционным нагрузкам определено оптимальное количество лопастей. Установлено, что наиболее эффективной ветроустановкой является трехлопастная машина, особенностью которой являются более высокие показатели при слабых ветрах и способность самостоятельно раскручиваться из положения покоя. Конструктивной новизной является трехъярусная машина с 3 лопастями в каждом ярусе, энергопреобразующая часть которой установлена на тороидальный обтекатель. Определено наилучшее качество сопряжений траверс и узлов. Проведены расчеты предлагаемых компоновок на вибрацию в эксплуатационных и буревых режимах, показывающие удовлетворительные результаты.
Бесплатно
Оценка границ технико-экономической эффективности применения тепловых насосов
Статья научная
Представлена методика определения технико-экономической эффективности тепловых насосов парокомпрессионного и абсорбционного типов в сравнении с электрокотлами и топливными котельными.
Бесплатно
Повышение эффективности гибридной электростанции с помощью виртуальной электростанции
Статья научная
Рассмотрены особенности функционирования гибридной электростанции для локальной или распределенной энергосистемы. Основной особенностью гибридной электростанции является использование в ее составе традиционных и возобновляемых источников энергии. С увеличением доли возобновляемых источников, характеризующихся непостоянной выработкой электроэнергии в общем балансе ее производства, возникают проблемы регулирования меняющейся нагрузки в сети из-за хаотичного включения и отключения потребителей. С целью активного управления нагрузкой в электрической сети с гибридной электростанцией для стабилизации ее работы и повышения эффективности локальной энергетической системы выполнен анализ реализации технологии виртуальной электростанции, заключающийся в управляемом подключении и отключении активных потребителей. Такая технология позволяет оптимизировать совместную работу децентрализованных генераторов электроэнергии различного типа и потребителей. Возможность реализации подобной технологии управляемого подключения и отключения активных потребителей продемонстрирована на примере решения задачи стабилизации работы гидравлических турбин и насосов гидроаккумулирующей станции и снижения расхода топлива дизельгенераторов гибридной электростанции Gorona del Viento (остров Эль-Йерро, Канарский архипелаг). Проанализированы различные алгоритмы управления такой виртуальной электростанцией. Показана возможность эффективного применения виртуальной электростанции для оптимизации совместной работы большого количества децентрализованных генераторов электроэнергии и потребителей, что в конечном итоге позволяет активно управлять нагрузкой в электрической сети и обеспечить эффективность локальной энергетической системы.
Бесплатно
Статья научная
Анализируется энергетический потенциал малых рек России и ближнего зарубежья. Сделан вывод о том, что энергоемкость малых рек во много раз превышает этот показатель для крупных рек. Развитие малой гидроэнергетики сдерживается рядом проблем. Это требования экологии, необходимость больших финансовых затрат на создание малых ГЭС, получение качественной электроэнергии при сезонных колебаниях расхода воды. Для преодоления этих противоречий предлагается применить генератор оригинальной конструкции. Рассматриваемая электрическая машина представляет собой генератор погружного типа с комбинированным возбуждением. Он имеет небольшие размеры благодаря использованию мощных постоянных магнитов и обмотку возбуждения для регулирования магнитного потока. Генератор имеет сложную магнитную систему, поэтому для электромагнитного анализа используется программа точного расчета электромагнитного поля на основе метода конечных элементов ANSYS Electronics Desktop. Разработанная цифровая модель генератора показала хорошую сходимость с реальным генератором по основным параметрам и характеристикам. Представлены результаты исследования.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена актуальность применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в современном мировом энергетическом хозяйстве, приведены сравнительные статистические данные о доле различных источников энергии в генерации электричества. Особое внимание уделено вопросам использования энергии ветра в качестве источника для генерации электрической энергии, а именно представлена статистика по объему и динамике роста установленных мощностей ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире, а также статистика по объему и динамике роста выработанной электроэнергии при помощи ВЭУ в мире. Проанализированы факторы, которые способствовали развитию ветроэнергетической отрасли в странах с наибольшей долей использования ВЭУ в мире. Описаны конструктивные исполнения существующих типов ВЭУ. Сформулирована основная технологическая проблема ветроэнергетики и определен способ решения данной проблемы. Рассмотрены разные типы генераторов для ВЭУ и проанализированы плюсы и минусы использования всех типов электрических машин в качестве генерирующих устройств в ВЭУ. Определен вектор развития ВЭУ в части выбора типа генератора. Показаны отличительные особенности и преимущества применения машины двойного питания для ВЭУ в сравнении с другими типами электрических машин. Приведена информация о существующих генераторах двойного питания в мировой и отечественной промышленности. Представлена принципиально новая подробная конструкция машины двойного питания с установленным на едином валу бесконтактным возбудителем и описаны главные преимущества данного технического решения относительно традиционной конструкции машины двойного питания, которая включает в себя скользящий контакт.
Бесплатно
Проблемы мониторинга солнечных энергетических систем в России
Статья научная
Представлен обзор систем мониторинга солнечных фотоэлектрических станций и установок - как сетевых, так и автономных - на территории РФ. Актуальность такого рода мониторинга определяется задачами проектирования, а также достаточно сложными и неоднородными с позиций развития солнечной энергетики климатическими условиями России. Рассмотрены методы и инструменты, используемые для проведения мониторинга. Предложены элементы регламента и перечень задач мониторинга. Описаны результаты расчетов по предложенной инженерной методике прогнозирования производительности ФЭУ. Проведена верификация среднемесячных данных NASA SSE о падающей солнечной радиации, используемых в качестве исходных параметров в расчетной методике. На основе экспериментальных данных подтверждена адекватность использования предложенной инженерной методики для прогноза производительности фотоэлектрических установок. Выявлены основные факторы, которые вносят наиболее весомый вклад в погрешность расчетов. Представлены выявленные в процессе мониторинга автономной фотоэлектрической системы аспекты, имеющие существенное значение для работы системы мониторинга и установки в целом. Предлагается создать на территории России сеть фотоэлектрических установок, оснащенных системами мониторинга для обработки и обмена информацией, формирования единого регламента измерений и разработки рекомендаций по установке ФЭС в различных географических условиях страны.
Бесплатно
Производство электроэнергии на основе малых гидроэлектростанций
Статья научная
В настоящее время стремительно развивается рынок малых гидроэлектростанций (МГЭС) благодаря значительному росту интереса к малой распределённой энергетике, ее экологичности и выгоде использования возобновляемых ресурсов. Гибкость применения блочно-модульного оборудования на русловых гидроэлектростанциях позволяет выполнять проекты для различных уровней потока воды и гидростатического давления. Максимальная эффективность гидроэнергетических систем преобразования энергии может достигаться с помощью различных подходов в управлении потоком воды. В данной работе демонстрируются пути внедрения инновационных решений по производству электроэнергии на основе гидротурбин с учетом гидростатического напора в конкретном месте реки, c учетом естественных географических особенностей. Система отражена в модели с обеспечением симуляции электростанции, имеющей указанное географическое месторасположение и мощность. Кроме этого, исследования построенной модели показывают, что автономная система является более дешевой, чем расширение существующей магистральной сети. Причем автономная система вырабатывает избыточное количество электроэнергии, которое может быть использовано для покрытия нагрузок или пиков дополнительных потребителей.
Бесплатно
Разработка автоматизированного контроллера управления для системы солнечного теплоснабжения
Статья научная
В данной работе разработан автоматизированный контроллер управления для системы солнечного теплоснабжения на базе платформы Mojo v3. Разработанная система работает с помощью 6 датчиков (DS18B20 Dallas), которые позволяют расширить возможность применения платформы. Интегрированная система, использующая датчики Далласа, позволяет контролировать температуру и количество тепла. Система управления и мониторинга реализована на языках VHDL и VERILOG. Разработан алгоритм управления, который активирует библиотеки и константы, подключает модуль часы в реальном времени, активацию температурных датчиков и активацию связи с сервером. Если связь установлена с сервером, тогда сохраняется xml-файл в Ethernet-модуле, считываются температурные данные датчиков и записываются данные о температуре в Ethernet-модуле. Язык XML облегчает обработку данных путем автоматической или ручной интерпретации программ электронных таблиц данных.
Бесплатно
Разработка дистанционного мониторинга для систем солнечного теплоснабжения
Статья научная
В данной статье представлен новый способ разработки стационарной системы дистанционного мониторинга для систем солнечного теплоснабжения, которые могут быть применены для обогрева и горячего водоснабжения промышленных и бытовых помещений. Для разработки системы использовалась плата T-Call ESP 32 SIM800L с датчиком BME280, которая может работать в режиме глубокого сна. Плата начинает подключаться к Интернету с помощью тарифного плана SIM-карты. Он публикует показания датчиков на сервер и снова переходит в спящий режим. В нашем примере время сна составляет 60 минут, но можно также легко изменить его в коде. Предложенная система дистанционного мониторинга и управления позволяет повысить эффективность использования систем солнечных коллекторов, используемые для обогрева и горячего водоснабжения промышленных и бытовых помещений.
Бесплатно
