ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА В
ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ 10
1.1 Солнечная энергетика 10
1.2 Преобразование энергии солнца в электрическую и тепловую энергию . 13
1.2.1 Преобразование энергии солнца в электрическую энергию 13
1.2.2 Преобразование энергии солнца в тепловую энергию 15
1.3 Классификация солнечных энергетических установок и их особенности 16
1.4 Международный опыт использования солнечной энергетики 17
1.5 Показатели, влияющие на экономическую эффективность
солнечной энергетики 22
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ 26
2.1 Накопление энергии как неотъемлемая часть работы
возобновляемых источников энергии 26
2.2 Обзор применяемых в настоящее время аккумуляторов энергии 27
2.3 Актуальность механических накопителей энергии 29
2.4 Цель и задача исследования механических накопителей энергии 32
2.5 Описание механического накопителя энергии 33
2.6 Оценка технологии супермаховика и современные применения его
в промышленности 38
3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 46
3.1 Метод оценки эффективности работы механического накопителя
энергии в условиях автономного жилого помещения 46
3.2 Расчет системы энергообеспечения жилого дома с
применением возобновляемых источников энергии 47
4 ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ 52
4.1 Подбор оборудования для системы энергообеспечения жилого дома
с помощью возобновляемых источников энергии 52
4.2 Расчет механического аккумулятора энергии 55
5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ 58
5.1 Экономическая оценка эффективности 58
5.2 Экологическая оценка эффективности 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Энергия является мерой форм взаимодействия материи. Первые упоминания об энергии появились ещё в работах Аристотеля (трактат «Физика», там оно обозначало деятельность человека). На сегодняшний день энергия - это очень широкое понятие, применяемое не только в естественнонаучной сфере, но и в биологической, а также социально - гуманитарной. Сегодня общество неотделимо от энергии. В современном мире выделяют несколько видов энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, химическая, ядерная и тепловая. Наибольший интерес для современного общества представляет электроэнергия. Без нее невозможно представить функционирование промышленных производств, транспортной системы, аграрно-промышленного комплекса, медицинских учреждений. В повседневной жизни электроэнергия также окружает нас повсюду. Освещение помещений, отопление, работа всех бытовых приборов -все это обеспечивает нам электричество. Таким образом, электроэнергия имеет большое преимущество в виде универсальности применения.
Однако, наравне с преимуществами всегда имеются и недостатки. И самый существенный из них - невозможность хранения электрической энергии в промышленных масштабах. В каждую единицу времени должно производиться столько электроэнергии, сколько необходимо в данный момент потребителю. Чтобы обеспечить такую возможность, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы. Поэтому значительная доля генерации осуществляется за счет традиционных ископаемых ресурсов (угля, газа), обеспечивающих и надежность, и необходимую маневренность.
На сегодняшний день на общемировом энергетическом рынке наблюдается повышение спроса на возобновляемую энергию. Среди стран, развивающих «зеленую» энергетику, наиболее ярким примером являются Дания, вырабатывающая 140% общенационального спроса на энергию с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и Германия, где на ВИЭ приходится около 50% установленной мощности электростанций (94 из 182 ГВт) и эта доля продолжает неуклонно расти. В отдельные часы ВИЭ уже могут обеспечить до 100% потребности в электроэнергии. Накопители электроэнергии могут стать выходом для продолжения успешной интеграции ВИЭ в энергосистемы различных стран, они позволят сгладить колебания выработки ВИЭ и выровнять график нагрузки.
Другим популярным направлением является развитие распределенной энергетики. Потребители хотят минимизировать свои затраты и устанавливают собственные генерирующие источники (например, солнечные батареи или ветрогенераторы). В странах, где доля распределенной генерации высока, возникает проблема интеграции таких потребителей в рыночную систему. Поскольку сам потребитель забирает от своего источника столько электроэнергии, сколько ему нужно в данный момент времени, у него могут возникать излишки. Проблема продажи этих излишков в сеть может быть решена с помощью накопителей. Помимо этого, они могут использоваться и для создания индивидуальных резервов.
Таким образом, проблема аккумулирования электрической энергии в настоящий момент остается нерешенной, а значит, актуальной. Существуют различные типы систем аккумулирования электроэнергии, на сегодняшний день 99% промышленного накопления и хранения электроэнергии (около 132,2 ГВт) обеспечивают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). На все прочие технологии накопления приходится 1%, в основном речь идет о накопителях на сжатом воздухе, сульфидных натриевых аккумуляторных батареях и литиевых аккумуляторных батареях. Наиболее проверенными из накопителей являются ГАЭС и устройства, работающие на технологии сжатого воздуха [14].
Альтернативой всем вышеперечисленным способам аккумулирования энергии служит механический накопитель энергии (супермаховик). Несмотря на то, что одноименное изобретение было запатентовано еще в 1964 году [11], широкое распространение оно может получить именно сейчас, когда в мире наблюдается рост спроса на распределенную генерацию. Таким образом, новизна данной работы обусловлена применением супермаховика в условиях непостоянной работы установок возобновляемой энергетики. Механический накопитель энергии по своим характеристикам превосходит химические аккумуляторы, имеет более компактный размер, чем гидроаккумулирующие электростанции и может быть применен совместно с энергосистемами с использованием возобновляемых источников энергии. Работа посвящена описанию механического накопителя энергии (супермаховика) и оценке его эффективности в распределенной энергетике на примере системы энергоснабжения частного дома с применением возобновляемых источников энергии.
В первой главе подробно описано преобразование энергии солнца в электрическую и тепловую энергию, сделан общий обзор солнечной энергетики в мире, описаны имеющиеся на сегодняшний день установки, приведены их особенности. Приведен международный опыт использования солнечной энергетики, описаны показатели, влияющие на экономическую эффективность солнечной энергетики.
Во второй главе обосновано применение аккумуляторов электрической энергии для систем энергоснабжения, основанных на возобновляемых источниках энергии, приведен обзор применяемых в настоящее время аккумуляторов энергии, описана актуальность механических накопителей энергии. Поставлены цели и определены задачи исследования механических накопителей энергии, приведено подробное описание механического накопителя энергии, дана оценка технологии супермаховика и применению её в промышленности.
В третьей главе описана методика исследования механического накопителя энергии, приведен метод оценки его эффективности, произведен расчет системы энергообеспечения жилого дома с применением возобновляемых источников энергии.
В четвертой главе произведен подбор оборудования для системы энергообеспечения жилого дома, основанной на возобновляемых источниках энергии, произведен теоретический расчет механического накопителя электроэнергии.
В пятой главе дана экологическая и экономическая оценки эффективности применения супермаховика.
Целью данной работы является обоснование актуальности применения механического накопителя энергии на в сравнении с другими видами аккумулирующих систем, оценка эффективности применения супермаховика в энергосистеме жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии.
В работе выполнены следующие задачи:
- сделан сравнительный обзор существующих в настоящее время накопителей энергии;
- описано общее устройство и принцип функционирования механического накопителя энергии (супермаховика);
- рассчитана система энергообеспечения жилого дома с применением возобновляемых источников энергии;
- подобрано оборудование для рассчитанной системы;
- рассчитан механический аккумулятор энергии;
- произведена оценка экономической эффективности исследуемого объекта;
- произведена оценка экологической безопасности механического накопителя энергии.
Объектом данной работы является аккумулирование электрической энергии, полученной от возобновляемых источников энергии. Предметом является механический аккумулятор энергии (супермаховик).
Методом исследования эффективности применения механического накопителя энергии является расчет системы энергообеспечения частного жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии по мощности заданных потребителей электрической энергии и их дневном и ночном времени работы. Данный подход обусловлен наглядностью метода исследования, а также точностью полученных результатов. Дальнейший расчет производится по суммарной мощности всех потребителей, на основании полученных данных подбирается оборудование для системы, затем производится расчет системы аккумуляторов, а в данной работе - механического накопителя энергии. Практическая значимость данной работы определяется возможностью решения на ее основе проблемы экологически-чистого аккумулирования электрической энергии, полученной от возобновляемых источников энергии, а также возможностью проведения дальнейших научных исследований в этой области.
Солнечная энергетика была и остается одной из самых перспективных технологий получения экологически чистой электрической и тепловой энергии с помощью возобновляемых источников. В настоящее время она имеет наибольшее распространение, по сравнению с энергией ветра, энергией биомассы и малой гидроэнергетикой. Солнечная энергия может быть преобразована в два вида энергии: тепловую и электрическую. Тепловая энергия широко используется для отопления и горячего водоснабжения жилых домов, опреснения воды. Электрическая энергия применяется для обеспечения электрической энергией всех электроприборов-потребителей. Солнечная тепловая энергия может быть получена с помощью специальных установок - солнечных коллекторов, а электрическая - с помощью солнечных батарей, преобразующих солнечное излучение с помощью специальных солнечных элементов. Международный опыт солнечных энергетических установок очень обширный, поскольку существует множество стран с постоянно высокой инсоляцией, среди передовых стран выделяют США, Китай и Индию. Также в работе рассмотрены показатели, влияющие на эффективность работы солнечных установок. От них напрямую зависит количество энергии, вырабатываемое солнечными электрическими установками.
Возобновляемые источники энергии имеют непостоянное действие во времени, которое зачастую не совпадает с графиком электропотребления потребителя, поэтому все объекты распределенной энергетики, в которых основным источником энергии служит какой-либо возобновляемый источник, нуждаются в аккумуляторных системах. В работе рассматривается пример с солнечной энергетикой. Поскольку электропотребление существует постоянно, а солнце не светит ночью, возникает необходимость в аккумуляторной системе. Также сделан обзор некоторых наиболее распространенных химических аккумуляторов, применяющихся в настоящее время. Как альтернатива им рассмотрен механический накопитель энергии - супермаховик. Обоснована его актуальность для аккумулирования энергии в целом и для данной работы. Также обозначены цели и задачи исследования механического накопителя энергии. Основной целью является подобрать механический аккумулятор энергии для объекта распределенной энергетики - частного коттеджа с заданными электропотребителями и их мощностями и рассчитать его параметры. В работе дано подробное описание устройства механического накопителя энергии, рассмотрены его компоненты. Современный вариант поставки таких аккумуляторных систем - шкафы с панелью управления параметрами супермаховика также представлен в работе. Дана общая оценка технологии механического накопления энергии, рассмотрены ее современные применения в промышленности, такие как машиностроение и ракетостроение. Приведены технологии, использующиеся NASA для аккумулирования энергии в космосе.
В работе представлен метод оценки эффективности работы механического накопителя энергии в условиях автономного жилого помещения, рассчитана система энергообеспечения жилого дома с помощью возобновляемых источников энергии по заданным потребителям и их мощностям. Найдена суммарная дневная и ночная нагрузка, определена суммарная и пиковая мощность, по этим данным построен график нагрузки, который показал пик энергопотребления. Определено количество энергии, которую необходимо получить от солнечных батарей днем и ночью. Установленная мощность солнечных батареи определена интегральным методом на основе допущений, принятых в расчете. Рассчитан необходимый ток контроллера, на основе этих расчетов выбрано оборудование для проектируемой системы в количестве семи солнечных панелей, одного инвертора и одного контроллера. Схема подключения оборудования также приведена в работе.
Супермаховик теоретически рассчитан исходя из выражения энергии вращающегося тела. Поскольку маховик имеет форму цилиндра, за объем маховика принимается объем тела вращения. Материал, из которого изготовлен механический накопитель энергии принят за сталь, поскольку этот материал имеет фиксированную плотность. Современные супермаховики изготавливают из композитных материалов, которые имеют различное значение плотности. Для каждого варианта изготовления механического накопителя энергии значение указанной величины будет своим, поэтому физические параметры будут индивидуальными для каждого отдельно взятого супермаховика. Для стального маховика методом подбора определены физические параметры и требуемая угловая скорость. Исходя из определённых параметров можно сделать вывод, что такой накопитель энергии вполне может существовать реально.
Проведена экономическая оценка данной технологии. В результате можно утверждать, что механический аккумулятор энергии имеет большие капитальные затраты, но почти не имеет затрат на обслуживание. Химические аккумуляторы имеют очень большие как капитальные затраты, так и затраты на эксплуатацию, также у них очень велика амортизация. Из-за саморазряда, возникающего со временем, требуется периодическая замена химических аккумуляторов, что также удорожает стоимость системы аккумулирования энергии, использующей такой тип накопителей. Исходя из этого, механический накопитель энергии является намного более выгодной технологией аккумулирования энергии, чем химические аккумуляторы.
В результате экологической оценки эффективности супермаховика выявлены его явные преимущества перед химическими аккумуляторами, поскольку он не имеет в составе токсичных веществ, которые отравляют воду, почву и воздух. Также механический накопитель энергии является полностью перерабатываемым по завершении работы, полностью вписывается в цикл безотходного производства. Однако, у супермаховика есть недостатки в виде его пожароопасности, шума и вибраций. При правильной установке системы вероятность проявления этих недостатков существенно снижается.
На основе проведенного исследования можно считать механические накопители энергии экологически чистой и эффективной технологией будущего, которая может иметь место в уже существующих системах распределенной энергетики с применением возобновляемых источников энергии, машиностроении, а также в космической промышленности. Все задачи, поставленные в работе, мною выполнены.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
