Электротехнический комплекс для электроснабжения геологоразведочных работ с использованием солнечной электростанции

Сегодня одним из перспективных направлений развития энергетики является применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). К таким источникам относятся: энергия ветра [24], солнечное излучение, энергия приловов и отливов, а также энергия биомассы. Наибольшее распространение в настоящее время получили ветровые установки для получения электрической энергии и солнечные коллекторы, для получения низкои среднетемпературных теплоносителей, а также солнечные фотоэлектрические станции, работающие либо по термодинамическому циклу, либо с прямым преобразованием солнечной энергии в электричество [3].

В данной работе будет рассмотрено комплексное решение утилизации энергии от ВИЭ — солнца, для обеспечения энергобезопасности и энергоэффективности процесса ведения геологоразведочных работ в отдаленных и труднодоступных регионах России, также будет рассмотрено решение проблемы децентрализованного энергоснабжения на объектах минерально-сырьевого комплекса на примере геологоразведочных работ.

Геологоразведочные работы на территории России в основном проводятся в регионах, где-либо отсутствует централизованное электроснабжение, либо стоимость 1 кВт-ч электроэнергии очень высока и может значительно превышать стоимость электроэнергии в центральных районах РФ [4].

С каждым годом ГРР углубляются во все более труднодоступные районы с тяжелыми климатическими условиями.

Институтом Минералогии, Геохимии и Кристаллохимии Редких Элементов были разработаны карты геологоразведочных работ по редким металлам на территории России, которые свидетельствуют о том, что Восток России, Иркутская область обладают большим потенциалом для ведения геологоразведочных работ [62].

4|Ц5 Пропюзно-металлогеническая карта России на редкие элементы.

Вигркмс рифа&яянл кллссмфмивша (еи кмо-ирочышлсинь:" ТЯМН Ч1Х" Н*ХЧМСНИ<(р" мсчсшоа и.ч.и" и. ки «. 1к. ууг,-<�к-.1м., кЛс1л.1а>1 р. Ч Р"1чеш1-нни 400ы<�ч горожлсиий ^^Вв^мЯНЬспк. к* гср|>йп>р11м Рио.ми.

•геыисиле юны кисЛР Чаш здйоп.ц.мшч гт^согсолМНр^со.)" обспнопок н pcauH. Jp> ГОКИ ПСрЛМЛ^* ?4 ним, >а шш А.

Каргу. и перечень рсдкоыпалльмшобккю* (с количественными характеристиками) на СО КОМеможно икдшь по адресу: 12 135? Москва, ул Вересаева 15 ИМГРЭ: •Телефон >095) 443−14−28. Фикс (095) 443−90 43 Е пиЛ ктп в 1д.

Рисунок 1 — Прогнозно-металогеническая карта РФ на редкие элементы Разведка новых месторождений является стратегической задачей, так как геологическая отрасль является системообразующей в экономике страны. От эффективности работы отрасли зависят энергетика, нефтегазовая, газовая и горная промышленность, металлургия, химическая, строительная и аграрная промышленность и народное хозяйство в целом. Согласно докладу руководителя Роснедр Попова А. П.: «Главной задачей геологоразведки сегодня является формирование «поискового задела — перспективных участков, которые имеют шанс стать полноценными месторождениями».

Рисунок 2 — Карта размещения текущих и планируемых ГРР Указом Президента Российской Федерации № 899 от 7 июля 2011 г. был утвержден перечень критических технологий, в состав которого входят: технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику", а также «технологии поиска, разведки, разработки месторождений полезных ископаемых и их добычи» [52]. Также было издано Распоряжение Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 г. N 1-р, согласно которому в конце 2020 года доля электроэнергии полученной от возобновляемых источников энергии должна составлять 4,5% в общем энергетическом балансе страны [43]. Для реализации которого была написана совместно европейской комиссией стратегия развития ВИЭ в России [42]. В данной программе прописаны основные мероприятия по реализации принятых Россией целей по развитию ВИЭ до 2020 г. Вышеперечисленные документы в свою очередь тоже подтверждают актуальность решения проблемы децентрализованного электроснабжения геологоразведочных работ.

Тема диссертации: Электротехнический комплекс для электроснабжения геологоразведочных работ с использованием солнечной электростанции.

Тема диссертации соответствует паспорту научной специальности 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы по 3 пунктам:

1. Электротехнические комплексы и системы являются неотъемлемыми составными частями систем более высокого уровня или могут рассматриваться как самостоятельные технологические комплексы и должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование этих систем в широком диапазоне внешних воздействий;

2. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.

3. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Актуальность работы:

Солнечная энергетика на сегодняшний день является наиболее быстро развивающейся отраслью возобновляемых источников энергии. В этом научном сегменте достигнут большой прогресс, об этом свидетельствуют такие факты, как повсеместное применение солнечных электростанций и сопутствующего оборудования. В 2008 году производство кремниевых фотоэлементов достигло пикового показателя 7,1 ГВт [6] и увеличивается с каждым годом.

В России, в Якутской области в 2011;2021 гг. в поселке Батамай были введены в систему электроснабжения 2 солнечные электростанции (СЭС) мощностью 10 и 30 кВт. Опыт эксплуатации электростанций, подтверждает эффективность применения данного типа энергоисточника. В летний период СЭС 10 кВт вырабатывает до 1000 кВт*ч электроэнергии в месяц [38]. Общая выработка СЭС мощность 30 кВт за период с 26.07.2012 г. по 05.11.2012 составила 8792 кВт*ч электроэнергии. При следующих погодных условиях: 38 ясных дней, 28 дней с переменной облачностью, 33 пасмурных дня, 4 дня тумана. За счет работы СЭС на период с 26 июля 2012 г. по 05 ноября 2012 г. экономия топлива на Батамайской ДЭС составляет 3,041 тн. или в денежном выражении составляет около 104,7 тыс. руб. Плакируемая экономия топлива в год составляет 10 тн., соответственно простая окупаемость составит 8,9 лет [20].

В мировой практике СЭС широко применяются для выработки энергии, как электрической, так и тепловой. В Австралии в городе Элис-Спрингс открыли аэропорт, работающий от электростанции на солнечных батареях. По словам разработчиков, она способна производить до 600 МВт в год. Седьмого июня 2011 года в Европе запущен первый железнодорожный состав на солнечной энергии. «Экологический» поезд будет курсировать по маршруту Париж-Амстердам. Agence France-Presse сообщает, что солнечные батареи, генерирующие энергию для поезда, находятся на 3,6-километровом туннеле в Бельгии. Общая площадь 16-и тысяч батарей — 50 тысяч квадратных метров, мощность составляет 3,3 мегаватт-час. Использование солнечного излучения как источника электрической и тепловой энергии также понизит выбросы углекислого газа в атмосферу [25].

Стоимость фотоэлементов уменьшилась за последний год на 25% по данным мирового обозревателя 8о1агЬигг [68].

Горнодобывающая промышленность в России развивается очень стремительными темпами, охватывая все более отдаленные и труднодоступные регионы страны. Электроснабжение объектов производится за счет электростанций собственных нужд, так как отсутствует централизованное электроснабжение. Наиболее распространенным типом автономного электроснабжения является применение дизельных электростанций, которые имеют ряд недостатков. В первую очередь стоимость топлива может достигать 200% от его оптовой стоимости, что составляет большую часть эксплуатационных расходов на выработку энергии [55]. Кроме того, ДЭС требуют сложного технического обслуживания, обладают коротким ресурсом непрерывной работы, высоким уровнем шума в процессе работы генератора. ДЭС оказывают вредное воздействие на окружающую среду, так как для агрегатов характерен большой объем выхлопных газов [56].

Усовершенствование электроснабжения за счет применения солнечной электростанции прямого преобразования повысит эффективность ведения геологоразведочных работ (ГРР), уменьшив затраты на выработку продукции, упростив технологию [8].

Поэтому выбор наиболее эффективных конструктивных решений и параметров, учитывающих условия эксплуатации, природно-климатических и социально-экономических особенностей региона, является весьма актуальным при внедрении в систему электроснабжения геологоразведочных работ электротехнического комплекса на основе солнечной фотоэлектрической станции для автономных потребителей, а именно для электропитания систем автоматики и безопасности, средств связи.

Цель работы:

Повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов ГРР в удаленных от централизованной энергосистемы районах с использованием солнечной электростанции.

Идея работы:

Эффективное электроснабжение ГРР при отсутствии централизованного электроснабжения достигается путем использования в составе ЭТК ФЭС, параметры которого определяются на основе комплексного анализа состава электроприемников, графиков электрических нагрузок, географических и климатических характеристик района проведения изысканий.

Основные задачи исследований:

1. Выполнить анализ схем электроснабжения и графиков электрических нагрузок ГРР и по полученным результатам выявить основные показатели, которые характеризуют процесс обеспечения электроэнергией геологоразведочных работ;

2. Оценить реальный годовой объем вырабатываемой электроэнергии (валовый потенциал солнечной энергии) с одного квадратного метра горизонтальной площадки, на которой размещена ФЭС, в зависимости от параметров и затененности ФЭМ, от угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ, географических, климатических условий;

3. Разработать математическую модель ЭТК с ФЭС и промежуточным накопителем энергии, позволяющую обосновать рациональную структуру и параметры ЭТК с ФЭС на базе монокристаллических фотоэлементов;

4. Разработать физическую модель фотоэлектрической системы в составе ЭТК на основе комплекса 8о1агЬаЬ и провести исследования эффективности процессов преобразования солнечной энергии в электрическую с учетом вариации параметров вольт-амперных характеристик (ВАХ), интенсивности светового потока и степени затененности фотоэлектрических модулей (ФЭМ);

5. Разработать алгоритм управления СФЭС, обеспечивающий эффективное электроснабжение ГРР при заданных графиках электрических нагрузок и вариации климатических условий. Провести технико-экономическое обоснование эффективности электроснабжения ГРР с использованием ЭТК с ФЭС.

Научная новизна работы:

1. Выявлены закономерности, характеризующие процессы электропотребления в системе автономного энергоснабжения ГРР, от топологии СФЭС, параметров вольтамперных характеристик (ВАХ) ФЭМ, их затенения, процессов заряда и разряда аккумуляторных батарей (АКБ), позволяющие обосновать экономическую целесообразность применения СФЭС и схемотехнические реализации ЭТК с ФЭС.

2. Выбор параметров ФЭС и АКБ в составе ЭТК для электроснабжения геологоразведочных экспедиций должен осуществляться на основании параметров графиков электропотребления электроустановками ГРР, географических и климатических условий, включая средние и максимальные значения плотности потока солнечного излучения, периодичности их возникновения, характерных особенностей и сезонности ГРР, а также параметров резервного источника питания.

Теоретическая и практическая ценность диссертации:

1. Выявлены зависимости параметров ЭТК с ФЭС в состав системы электроснабжения ГРР от параметров фотоэлектрических панелей, ДГУ, от географического месторасположения объекта, поступающей на поверхность инсоляции, ее характерных особенностей в зависимости от региона, а также показателей графиков нагрузки потребителей, характера и сезонности ведения ГРР.

2. Разработан алгоритм и выявлены зависимости показателей качества электрической энергии от состава электрических нагрузок и параметров сети геологоразведочных работ.

3. Обоснована экономическая эффективность данного вида электроснабжения с учетом географического расположения объекта ведения ГРР, а также с учетом сезонности.

Методы исследования:

В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного математического моделирования в системе MatLab Simulink, численного анализа с использованием пакета MathCAD, MS Excel, LabVIEW экспериментальных исследований электротехнических и электромеханических комплексов.

Защищаемые научные положения:

1. Обоснование структуры и параметрической достаточности электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией и дополнительным источником питания производится на основании выявленных показателей графиков электрических нагрузок геологоразведочных работ, включая коэффициенты заполнения и формы, максимума, числа часов использования максимума нагрузки, с учетом географических, климатических характеристик района проведения изысканий и затенения ФЭМ.

2. Обоснование режимов и формирование алгоритма работы электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией и дополнительным источником питания, при которых обеспечивается надежность и экономичность электроснабжения объектов геологоразведки при минимизации расхода углеводородного топлива, должны производиться на основании выявленных зависимостей, характеризующих электропотребление ГРР, включающих преобразование солнечной энергии в электрическую, ее аккумулирование с учетом процессов разряда и заряда аккумуляторных батарей, преобразование параметров электрической энергии в условиях вариации плотности потока солнечной энергии.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы основывается на использовании апробированных аналитических методов исследований и сходимостью результатов с экспериментальными данными.

Реализация результатов работы:

Структурная схема и алгоритм ее управления предложен к использованию в компании ОАО «Татнефть».

Личный вклад автора:

Разработан ЭТК с ФЭС, обладающий структурной и параметрической достаточностью, выполнено обоснование его параметров для обеспечения электроэнергией потребителей геологоразведочных партий. Разработан алгоритм управления ЭТК с ФЭС, удовлетворяющий условиям технологического процесса ведения ГРР. Установлены зависимости параметров ЭТК с ФЭС от географических и климатических характеристик района проведения изысканий с учетом сезонности работ. Определен технический потенциал солнечной энергии на территории республики Татарстан.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международной конференции студентов и молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2010 г.), научно-практических семинарах с международным участием «Неделя науки в СПбГПУ ЬХЬ, ХЬ, ХЫ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2010;^-2012) — 8 международной научной школе молодых ученых и специалистов (Москва, УРАН ИПКОН РАН, 2011);

Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

5.3 Выводы к главе 5 Перспективными для использования ФЭС с ФЭМ при производстве ГРР являются регионы РФ со средним годовым потенциалом 150 и более кВт*ч/м2. Срок окупаемости предложенной структуры составляет 14 месяцев. При продолжительности работ от 16 месяцев экономический эффект составит 0,21 млн. рублей. При увеличении срока проведения геологоразведочных работ до 24 месяцев экономический эффект составит 1,07 млн. рублей, для 36 месяцев — 2,35 млн. рублей.

Надежность электроснабжения ГРР повышается за счет использования двух независимых источников питания — ДГУ и ФЭС. Коэффициент готовности ФЭС выше коэффициента готовности ДГУ и составляет 0,93 для коэффициента затенения 0,8.

Заключение

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов геологоразведочных работ с использованием ФЭС в удаленных от централизованной энергосистемы районах.

1. Выявлены показатели графиков электрических нагрузок полевых баз при ведении ГРР. Среднее значение Ртах составляет 16,5 кВт, Рср составляет 6,84 кВт, коэффициент заполнения графика А" 3 = 0,41, коэффициент использования максимума Ктах = 2,41, время использования максимума Ттах = 2Ш за весь сезон. Для обеспечения параметрической достаточности полевых баз геологов средняя вырабатываемая мощность ФЭС составляет 10−20 кВт. Общее энергопотребление составляет в среднем 40 ООО кВтч за сезон.

2. Рассчитан реальный годовой потенциал, приходящийся на горизонтальную площадку из фотоэлектрических элементов площадью 1 м, обладающих коэффициентов полезного действия равным 19,1%, находится в пределах — 112кВтвч/м — 210 кВт*ч/м2. В среднем по стране значение технического валового потенциала солнечной энергии будет составлять 170 кВт*ч/м в год, если не учитывать зоны полярной ночи.

3. На основании полученных результатов доказано, что выбор структуры и схемы ЭТК с ФЭС должен осуществляться на основании комплексного анализа графиков электрических нагрузок геологоразведочной экспедиции, выявления характеристик потребителей, географического и климатического расположения партии.

4. Обосновано, что выбор площади и соответствующей ей выходной мощности ФЭМ осуществляется на основании экспериментальных данных освещенности промышленной площадки геологоразведочной партии, что позволяет осуществить выбор параметров ЭТК с ФЭС и ДГУ на основе параметров плотности потока солнечной энергии. В условиях сезонности работ и малой повторяемости минимального значения плотности потока солнечного излучения площадь ФЭМ выбирается на основании среднего значения плотности потока солнечной энергии.

5. Доказано, что выбор емкости АКБ осуществляется на основании комплексного анализа сезонности работ и максимальных значений плотности потока солнечной энергии, КПД АКБ, коэффициента, учитывающего потери в системе АКБ-ФЭС, продолжительности сияния в ласах, суммарного угла наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ, КПД ФЭМ, деградацию параметров, площадь ФЭМ, допустимую глубину разряда.

6. Перспективными для использования ФЭС с ФЭМ при производстве ГРР являются регионы РФ со средним годовым потенциалом о.

150 и более кВт*ч/м. Срок окупаемости предложенной структуры составляет 14 месяцев. При продолжительности работ от 16 месяцев экономический эффект составит 0,21 млн. рублей. При увеличении срока проведения геологоразведочных работ до 24 месяцев экономический эффект составит 1,07 млн. рублей, для 36 месяцев — 2,35 млн. рублей.

7. Структурная схема и алгоритм ее управления предложен к использованию в компании ОАО «Татнефть».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абрамович Б. Н., Яковлева Э. В., Солнечная электростанция в системе энергоснабжения геологоразведочных работ // Энергои ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых, Екатеринбург, 2010, С. 427−428.

2. Яковлева Э. В., Внедрение фотоэлектрической станции в систему электроснабжения геологоразведочных работ // Сборник докладов X международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». — Т.2. — М.: Экстра-Принт, 2011, С. 235.

3. Яковлева Э. В., Анализ применения фотоэлектрических станций на объектах горнодобывающей промышленности на территории России (тезисы) // Неделя науки СПБГПУ: материалы международной научно-практической конференции. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012, С. 114−116.

4. Абрамович Б. Н., Яковлева Э. В. Фотоэлектрическая станция прямого преобразования для объектов минерально-сырьевого комплекса // Записки Горного института: РИД СПГГИ (ТУ). — Т. 196 — 2012. — С. 210−213.

5. Яковлева Э. В., Эффективность применения электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией прямого преобразования солнечной энергии на территории республики Татарстан // Естественные и технические науки, № 1, 2013.г. Москва, Изд-во «Спутник +» С. 189−192.

6. Бельский A.A., Яковлева Э. В. Обоснование возможности использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения объектов минерально-сырьевого комплекса // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», Научно-технический центр Тата, Саров — 02/2 (120)-2013. — С.63−68.

7. Яковлева Э. В. Электроснабжение геологоразведочных работ с использованием гибридных электростанций // Горное оборудование и электромеханика — 03/2013, Изд-во «Новые технологии», Москва, 2013.С. 1922.