Тема: Исследование способов адаптации компонентов автономных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии к эксплуатации в арктическом климате
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
Введение 4
1. Проблема энергоснабжения в децентрализованных зонах 10
1.1. Проблема децентрализованного электроснабжения в России в целом 10
1.2. Понятие Российской Арктики 13
1.3. Арктическая зона Российской Федерации: существующие
проблемы энергоснабжения 14
1.4. Возможные решения для Российской Арктики 22
1.5. Факторы, влияющие на работу гибридного энергкомплекса в
Арктики 29
1.6. Выводы по главе 33
2. Проектирование автономных гибридных энергетических систем 34
2.1. Текущие исследование 34
2.2. Оценка возможности реализации проекта 36
2.3. Оценка аспектов, влияющих на эффективность энергосистем...39
2.3.1. Технические критерии 39
2.3.2. Экономические критерии 42
2.3.3. Экологические критерии 44
2.3.4. Социальные критерии 47
2.3.5. Адаптационные критерии для Арктических условий 48
2.3.6. Анализ критериев и объективной функции 55
2.4. Выводы по главе 57
3. Оптимизация конфигурации гибридного энергокомплекса для
децентрализованного энергоснабжения 58
3.1. Существующие методы оптимизации 59
3.2. Подход долгосрочного планирования 60
3.3. Экономическая составляющая внедрения гибридных
энергокомплексов 62
3.4. Определение оптимальной конфигурации 64
3.4.1. Характеристика объекта исследования 65
3.4.2. Модель фотоэлектрических панелей 66
3.4.3. Модель ветроэнергетической установки 68
3.4.4. Модель дизельной установки 68
3.4.5. Модель аккумуляторной батареи 69
3.4.6 Модель ограничений и стратегия управления 70
3.4.7. Результаты моделирования 73
3.5. Выводы по главе 79
4. Управление частотой автономного гибридного энергокомплекса 80
4.1. Структурная схема изолированной микросети переменного тока 80
4.1.1. Ветроэнергетическая установка 82
4.1.2. Фотоэлектрические панели 83
4.1.3. Дизель-генератор 85
4.1.4. Аккумуляторные батареи 86
4.2. Частотный иерархический контроль изолированной
микросети 87
4.2.1. Первичное регулирование частоты аккумуляторной батареи..88
4.2.2. Вторичное регулирование частоты дизель-генератора...90
4.3. Результат моделирования 93
4.4. Выводы по главе 97
Заключение 99
Библиографический список 102
📖 Введение
Принимая во внимание природные и климатические энергоресурсы, имеющиеся на Севере, учитывая низкую плотность населения и их неравномерное расселение, прокладывать линии электропередач там не всегда целесообразно. Стоит также учесть негативные факторы при использовании устаревшего оборудования - дизельных электростанций на территориях с децентрализованным электроснабжением. Решением вопросов надежного энергообеспечения этих районов может стать использование местных энергетических ресурсов и, прежде всего, возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В соответствии с Государственной программой Российской Федерации << Энергоэффективность и развитие энергетики>> на 2013-2020 гг. (распоряжение от 3 апреля 2013 г., № 512-р) в России этому уделяется все большее внимание [1].
Также стоит отметить что одним из приоритетов Энергетической стратегии России на период до 2030 года [2] является развитие автономных систем генерации на основе возобновляемых источников энергии.
С внедрением ВИЭ на территории Арктики, в частности ветроэнергетических и фотоэлектрических установок, в автономных энергетических энергокомплексах возникает проблема надежности используемого оборудования и всего энергокомплекса из-за суровых условий окружающей среды. Соответственно возникает вопрос о надежной и безопасной работе энергокомплекса при любых температурах окружающей среды. В этом контексте оптимальное проектирование адаптированных гибридных энергосистем к арктическим условиям является вполне разумным и актуальным вопросом в наше время. Этот вопрос очень широк: задачи оптимального проектирования учитывают технико-экономические показатели энергосистем, их экологическое и социальное воздействие. Одной из основных задач оптимального проектирования является решение о том, какие источники питания должны быть включены в систему и каков их масштаб.
Степень научной разработанности проблемы. В основу данной работы легли труды В.И. Виссарионова, П.П. Безруких, О.С. Попеля, Л. А. Саплина, Б.В. Лукутина, Е.В. Соломина и других российских и зарубежных ученых, которые внесли неоценимый вклад в развитие использования возобновляемых источников энергии в ряде технологических процессов.
Исходными понятиями и терминами в данной работе являются: возобновляемые источники энергии, гибридный энергокомплекс, солнечная энергия, ветровая энергия, солнечная батарея (фотоэлектрический преобразователь), аккумуляторная батарея, ветроэнергетическая установка, адаптация, арктический климат, Арктика, север.
Идея работы - увеличение энергоэффективности компонентов “идеального” энергокомплекса в условиях Арктики за счет эффективной схемы и системы управления для определения оптимальной структуры гибридной энергосистемы в условиях арктического климата.
Целью работы является повышение эффективности (надежности) автономного энергокомплекса на основе возобновляемых источников энергии к эксплуатации в арктическом климате.
Объект исследования - гибридный энергокомплекс с возобновляемыми источниками энергии.
Предмет исследования - влияния особенностей арктического климата на производительность (энергоэффективность) компонентов гибридного энергокомплекса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ и подчеркнуть проблему децентрализованного энергоснабжения в неблагоприятных условиях работы энергокомплекса в Арктических условиях и проанализировать возможные решения.
2. Провести обзор литературы по существующим методам оптимального проектирования гибридной энергосистемы и проанализировать критерии (аспекты), влияющие на проектирование гибридных энергетических систем в условиях Арктики. Провести анализ существующих средств адаптации компонентов энергокомплекса. Разработать многокритериальную модель, учитывающую вышеприведенные аспекты.
3. Разработать структурную схему оптимизации автономного гибридного энергокомплекса, основанную на подходе долгосрочного планирования.
4. Разработать схему определения оптимального состава энергокомплекса на основе математических моделей ветроэнергетической установки, фотоэлектрических панелей, дизель-генератора и аккумуляторной батареи, на примере небольшого поселения.
5. Разработать блок-схему стратегии управления и диспетчеризации.
6. Разработать схему управления частотой для усиления способности противочастотных помех для изолированной микросети, провести имитационные исследования, доказывающие эффективность предложенной схемы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Многокритериальная модель, учитывающая критерии (аспекты), влияющие на проектирование гибридных энергетических систем в условиях Арктики
2. Структурная схема оптимизации автономного гибридного энергокомплекса, основанная на подходе долгосрочного планирования.
3. Схема определения оптимального состава энергокомплекса на основе математических моделей ветроэнергетической установки, фотоэлектрических панелей, дизель-генератора и аккумуляторной батареи, на примере небольшого поселения.
4. Блок-схема стратегии управления и диспетчеризации.
5. Схема управления частотой для усиления способности противочастотных помех для изолированной микросети.
Теоретическое значение работы:
1. Проведен обзор существующих методов оптимального проектирования гибридной энергосистемы и рассмотрены различные критерии, влияющие на решение о выборе правильной структуры гибридной энергосистемы, и даны рекомендации по оценке критериев.
2. Проведен анализ существующих средств адаптации компонентов энергокомплекса и даны рекомендации по их применению в составе гибридного энергокомплекса.
3. Приведены математические модели каждого из компонентов гибридного энергокомплекса.
Практическое значение работы:
1. Разработана многокритериальная модель, которая поможет принять решение об установке той или иной конструкции автономной энергосистемы.
2. Разработана структурная схема оптимизации автономного гибридного энергокомплекса, основанная на подходе долгосрочного планирования.
3. Разработана схема определения оптимального состава энергокомплекса на основе математических моделей ветроэнергетической установки, фотоэлектрических панелей, дизель-генератора и аккумуляторной батареи, на примере небольшого поселения.
4. Разработана блок-схема стратегии управления и диспетчеризации.
5. Разработана схема управления частотой для усиления способности противочастотных помех для изолированной микросети.
Методы исследований. В процессе работы над диссертацией использовались теоретические методы, методы математического моделирования с использованием ЭВМ.
Степень достоверности результатов. Достоверность разработанных алгоритмов подтверждается смоделированными результатами.
Апробация работы. Основные результаты работ и исследований по теме диссертации были представлены на следующих конференциях: X Всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» (МГУ им. Ломоносова, Москва, 2016 г.), Международная научно-практическая конференция «МОЛОДЁЖЬ В ПОИСКАХ ДРУЖБЫ», посвященная к 20 летию Национального примирения и году Молодежи в Республики Таджикистан (Хатлонская область, Бохтарский район, Республика Таджикистан, 2017), XII Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (КГЭУ, Казань, 2017 г.), Девятая научная конференция аспирантов и докторантов «Научный поиск» (Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, 2017 г.), VII Всероссийская научно-практическая конференция «Техносферная безопасность в ХХI веке» (Иркутск, 2017), III Всероссийская научно-практическая конференция « Энергетика и энергосбережение: теория и практика», (Кемерово, 2017), Десятая научная конференция аспирантов и докторантов «Научный поиск» (Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, 2018 г.), 70-я научная конференция «Наука ЮУрГУ». Секция "Технические науки". (Южно¬Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, 2018), IV Всероссийская научно-практическая конференция (КузГТУ, Кемерово, 2018), International Ural Conference on Green Energy (UralCon). (South Ural State University, Chelyabinsk, 2018), Multi Conference of Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2019 (Vladivostok, Russia, 2019), Двенадцатая научная конференция аспирантов и докторантов (Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, 2020 г.).
Публикации. По теме работы опубликовано 21 научных работ, из них 2 патента, 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК и 2 статьи, индексируемые наукометрическими базами Scopus и WoS.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, 32 рисунка, 14 таблиц, список используемой литературы из 61 наименований
✅ Заключение
Широкое распространение ветровой и солнечной энергии в Арктике в настоящее время сдерживается рядом факторов. Основная проблема использования ветроэнергетических установок - надежность: оборудование должно быть защищено от воздействия ураганных ветров, выдерживать экстремально низкие температуры и резкие перепады температур. Использование фотоэлектрических установок ограничено в основном географическими особенностями региона: существуют значительные периоды полярной ночи в течение года (до полугода на Северном полюсе).
В данном исследовании определены оптимальная структура и параметры гибридного энергокомплекса для населенного пункта Якутии АЗРФ. Дана оценка влияния ограничений различных показателей на результат решения задачи оптимизации. Показано, что соотношение пропорций солнечных и ветровых электростанций не является постоянным и может изменяться до исключения одного из ВИЭ из гибридного комплекса.
В ходе диссертационного исследования были выполнены поставленные задачи:
1. Проведен анализ и подчеркнута проблема децентрализованного энергоснабжения в неблагоприятных условиях работы энергокомплекса в Арктических условиях и проанализированы возможные решения.
2. Проведен обзор литературы по существующим методам оптимального проектирования гибридной энергосистемы и проанализированы критерии (аспекты), влияющие на проектирование гибридных энергетических систем в условиях Арктики. Проведен анализ существующих средств адаптации компонентов энергокомплекса. Разработана многокритериальная модель, учитывающую вышеприведенные аспекты.
3. Разработана структурная схема оптимизации автономного гибридного энергокомплекса, основанную на подходе долгосрочного планирования.
4. Разработана схема определения оптимального состава энергокомплекса на основе математических моделей ветроэнергетической установки, фотоэлектрических панелей, дизель-генератора и аккумуляторной батареи, на примере небольшого поселения.
5. Разработана блок-схема стратегии управления и диспетчеризации.
6. Разработана схема управления частотой для усиления способности противочастотных помех для изолированной микросети, проведены имитационные исследования, доказывающие эффективность предложенной схемы.
Таким образом была достигнута цель по повышению эффективности (надежности) автономного энергокомплекса на основе возобновляемых источников энергии к эксплуатации в арктическом климате.



