Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0066

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0066
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка методов и интеллектуальных технологий автономного энергоснабжения на основе традиционных и возобновляемых источников энергии для суровых климатических условий.
Докладчик
Елистратов Виктор Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является создание научно-технических предпосылок для широкомасштабного внедрения модульных автономных систем энергоснабжения на базе ВИЭ (ветровая и солнечная энергия) и традиционных видов топлива на мощности 0,2-1,0 и более МВт (при мощности модуля около 100- 200 кВт) с адаптированным к северным условиям оборудованием для комплексного развития территорий в районах Крайнего Севера.
Актуальность и новизна исследования
Актуальной проблемой при создании систем энергоснабжения является получение достоверной оценки ресурсов ВИЭ в условиях ограниченности климатической информации для северных регионов и разработка универсального алгоритма и методики прогноза текущего, среднесрочного и долгосрочного изменения поступления ресурсов ВИЭ для конкретного места размещения энергокомплекса. В настоящее время инструмента оценки прогноза прихода ВИЭ, который был бы объединен с алгоритмом определения энергетических и технико-экономических параметров и режимов работы автономных ЭК на основе ВИЭ и традиционных источников не обнаружено.
Проблемой при создании энергокомплексов на базе ВИЭ в России является практически полное отсутствие отечественного оборудования в мощностном диапазоне 50-100 кВт адаптированного к работе в суровых климатических условиях.
Некоторые отдельные компоненты систем автономного энергоснабжения предлагаются в виде единичных
поставок зарубежными фирмами, при этом они предлагают оборудования для значительно более теплых условий или для сетевого, а не автономного режимов. Создание адаптированного к северным условиям оборудования также требует решения еще ряда задач: материаловедческих (материала для лопастей с эффектом адгезии к налипанию, материала для конструкций оборудования и башни), энергетических (оптимизация состава оборудования и системы преобразования), организационных (оптимизация конструкции ВЭУ под возможности монтажа) и др. В предлагаемом проекте будут созданы научно-технические, технологические, конструкторские и логистические рекомендации по организации в России производства ветроэнергетического оборудования мощностью 50-100 кВт.
Описание исследования

Для увеличения точности оценки ресурсов ВИЭ предполагается:

- провести корреляцию многолетних данных реанализа с натурными наблюдениями, полученными с наземных метеостанций и частных ветроизмерительных комплексов;

- оценить достоверность использования данных реанализа в районах Крайнего Севера;

- выявить модели реанализа в прибрежных и континентальных частях крайнего Севера РФ, имеющие наиболее сильную корреляционную связь с натурными измерениями;

- выполнить Measure Correlate Predict (MCP) анализ натурных измерений и данных реанализа для получения синтезированных рядов, позволяющий удлинить, коротки ряд измерений до многолетнего;

- выполнить численное моделирование ресурсов ВИЭ на территории предполагаемого строительства энергокомплекса с учетом рельефа и шероховатости поверхности с использованием программных

комплексов WindPro и/или MeteodynWT и/или WindSim;

- выполнить визуализацию ресурсов ВИЭ, полученных в результате численного моделирования в виде карт, адаптированных к современным геоинформационными системам (GoogleEarth/ArcGIS или др.) и программному комплексу по подбору параметров и режимов работы энергокомплексов на базе ВИЭ и традиционных источников.

В данной работе планируется обобщить существующие научные работы в области систем интеллектуального управления энергокомплексами на ВИЭ и перевести результаты из теоретической плоскости (математические модели, программное обеспечение) в практическую (опытный образец в составе разрабатываемой системы энергоснабжения). При этом будет разработана новая функциональная схема системы интеллектуального управления с учетом оптимизации по заданным критериям:

1)экономия топлива (для поселков, хозяйств и т.п.);

2)время автономной работы без присутствия персонала (для автономных установок).

Отличительной особенностью новой системы управления по сравнению с существующими разработками будет являться:

1)управление локальными системами энергоснабжения на базе ВИЭ в диапазоне 0.1-1МВт

2)обеспечение высокого уровня замещения с динамическим управлением баланса мощностей: поддержка широкого набора основного (дизель-генераторные, газотурбинные, ветроэнергетические, солнечные и гидравлические установки) и вспомогательного оборудования (балластная нагрузка, синхронные компенсаторы, преобразователи тока, электрохимические и инерционные накопители).

3)прогнозирование выработки и потребления энергоресурсов, что дополнительно обеспечит снижение циклов остановки-запуска резервных генераторов и повысит долю ВИЭ в общей выработке электроэнергии.

4)адаптация алгоритмов управления системы энергоснабжения с учетом реальных характеристик генерирующего оборудования, и влияния внешних факторов (окружающей среды, режима работы и т.п.).

Это повысит КПД генераторов и синергетический эффект системы энергоснабжения в целом. Для этого будет разработан специальный аппаратно-программный модуль реализующий алгоритмы самообучения нейросети.

5)возможность объединения нескольких ЭК в одну автономную сеть и последующей интеграции в интеллектуальные электрические сети (Smart-Grid). Данный подход закладывает потенциал для стратегического развития электросети: малые автономные сети могут развиваться независимо и при возникновении возможности подключения малых автономных сетей к общей (федеральной) электросети генерирующие установки (ВЭУ и СФЭУ) смогут войти в состав сети с учетом требований по распределенной генерации и с возможностями для построения SmartGrid (в частности, распределенный мониторинг, участие в стабилизации параметров федеральной сети, возможности перераспределения мощности и т.п.) без существенных доработок.

Результаты исследования

В результате работы будут:

- разработаны алгоритм и методика прогноза текущего, среднесрочного и долгосрочного изменения поступления ресурсов ВИЭ в условиях ограниченной климатической информации, для конкретного места размещения энергокомплекса с их интерактивной визуализацией в современных геоинформационных системах;

- разработан программный комплекс по определению оптимальных параметров и режимов работы энергокомплексов на основе вероятностной оценки поступления ресурсов ВИЭ, объемов потребления энергии, стоимости дизельного топлива с целью максимизации замещения завоза последнего и проектирования автоматизированной системы управления конкретного энергокомплекса на основе ВИЭ и традиционных источников;

- разработаны рациональные технические решения динамического перераспределения мощности разрабатываемого модульного энергокомплекса мощностью 150-200 кВт с высоким уровнем замещения топлива;

- создана интеллектуальная система управления, распределения и преобразования энергии с прогнозированием выработки и потребления энергоресурсов для обеспечения высокого уровня замещения топлива;

- разработана и реализована новая методика расчета оптимальных параметров и режимов работы автономного энергокомплекса для энергоснабжения удаленных потребителей в суровых климатических условиях;

- разработаны технические и технологические предложения и рекомендации по адаптации оборудования (ветроколеса, электроэнергетического оборудования внутри гондолы, системы передачи энергии от ВЭУ), конструкций (башни, фундамента и др.), методов возведения и монтажа основных элементов модульной ВЭУ мощностью 50-100 кВт в суровых климатических условиях;

- разработан и испытан макетный образец энергокомплекса мощностью 30 кВт с внесением в него всех принятых технических и технологических решений и разработанной системы управления, характерных для типового модуля;

- разработан эскизный проект модульной ВДЭС с использованием разрабатываемой системы интеллектуального управления;

- проведены патентные исследования и оформление прав интеллектуальной собственности, созданной в ходе выполнения ОКР научных результатов.

Практическая значимость исследования
Полученные в ходе проекта результаты будут использованы при разработке и создании типового модуля автономного ЭК на основе ВИЭ и традиционных источников энергии мощностью до 200 кВт, включающего в себя энергетическое оборудование, адаптированное к северным условиям (ВЭУ, СФЭУ, типовой дизель), программно-аппаратный модуль интеллектуальной системы преобразования, управления и распределения энергии для обеспечения высокой доли замещения органического топлива. Данный модуль будет являться тиражируемой основой для создания системы энергоснабжения автономных потребителей в северных регионах.
Создание модульных автономных энергокомплексов на базе ВИЭ и традиционных источников обеспечит создание и модернизацию систем энергоснабжения для потребителей разной мощностью (метеорологические станции и маяки с суммарной нагрузкой до 100 кВт, прибрежные пограничные заставы, объекты Северного флота и другие военные объекты с суммарной нагрузкой 200–500 кВт, рыболовецкие колхозы, крупные оленеводческие хозяйства, отдельные посёлки с нагрузой 200–1000 кВт). При суммарной мощности таких потребителей на северных и приравненных к ним территориям около 2,5 млн. квт, рынок модульных ЭК на основе ВИЭ для потребителей рассмотренных классов составит около 1 млн. кВт. или 50 тыс. модулей на ближайшие 10 лет. Внедрение модульных энергокомплексов на базе ВИЭ с высокой долей замещения обеспечит экономию около 600 тыс. тонн дизельного топлива в год.
Мощность ДЭС, работающих сейчас на Севере свыше 2.5 млн. кВт, а производство электроэнергии на них – около 15 млрд. кВт-ч, на производство которой на Север завозится ежегодно около 5,0-6,0 млн. тн дизельного топлива. Стоимость производства энергии на таких ДЭС составляет 15-150 руб/кВт-ч.
Создание эффективных ВДЭС с 50% замещением топлива позволит даже при 30%-м внедрении ежегодно экономить около 0,6 млн. тн. и снизить дотации бюджета на субсидирование тарифа около 100 млрд. рублей, обеспечивать значительный социально-экономический и экологический эффект