Регистрация / Вход
Прислать материал

«Проведение научно-
исследовательской работы по созданию системы автономного
электроснабжения на основе комбинированного использования
генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования»

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0058
Организация
ФГУП ВЭИ
Руководитель работ
Симакин Виктор Васильевич
Продолжительность работ
2009 - 2011, 27 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Внебюджетные средства
2,4 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
15.06.2009 - 30.09.2009
1. Наименование разрабатываемой продукции
В процессе выполнения работ по сбору и анализу информации по теме исследования была разработана следующая научно-техническая продукция:
• Произведен сбор и анализ научно-технической литературы и других материалов по теме исследования.
• Разработаны основные принципы построения комбинированной системы автономного электроснабжения.
• Произведен анализ отечественного рынка генерирующих блоков: солнечных батарей, микроГЭС и ветроустановок.
Научно-техническая продукция представлена в виде промежуточного по этапу 1 Отчета о научно-исследовательской работе.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на первом этапе, по сбору и анализу научно-технической литературы и других материалов по теме исследования показывают, что тема НИР по изучению возможности создания системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей т о л ь к о возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования (КСАЭ ВИЭ) является актуальной и своевременной.
2.2. Новизна предложенной идеи по сравнению с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень науки и практики применения возобновляемых источников энергии состоит в следующем. Предложено использование в комбинированной системе трех преобразователей ВИЭ с полным исключением «взрывных» технологий, сжигающих ископаемое топливо.
Разработка такой идеи в проанализированной литературе не встречается. Зато описано много гибридных систем, когда солнечная или ветровая энергоустановка дополняют бензиновый генератор, либо дизельный. При этом идет лишь некая экономия сжигаемого органического топлива и снижение вредных выбросов в атмосферу, а остальные негативные факторы остаются: транспортировка топлива, обслуживание дизель-генераторов, «затаривание» территории металлической тарой и т.д.
Кроме того, бытует мнение, что малые плотности энергии солнца и ветра, а также их бесконтрольные вариации делают их непригодными без основного «бензинового» элемента. Оптимизм авторов идеи основывается на том, что, во-первых, применение пары из солнечного преобразователя и ветроустановки обеспечивает реализацию синергетического эффекта: в периоды, когда снижается солнечная радиация, усиливается ветер и наоборот. И во-вторых, микроГЭС функционирует круглосуточно и может выполнять функцию указанного основного элемента.
2.3 Результатом работы на первом этапе следует считать и формулирование
основных принципов построения комплексной системы автономного электроснабжения, которые лягут в основу разработки функциональной структурной блок-схемы КСАЭ ВИЭ.
Также сформулирована основная задача построения КСАЭ ВИЭ – это поиск и обоснование ее оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности должна быть минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном энергообеспечении потребителя. Решение задачи создания таких оптимальных автономных энергоустановок возможно лишь на основе сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, основные направления которых будут определены на последующих этапах НИР.
2.4. Объектов интеллектуальной собственности на отчетном этапе не создано.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов в целом по результатам НИР будут сформулированы на последующих этапах работы. Сейчас же, как показывают результаты проведенного анализа регионального размещения потенциальных потребителей автономных источников энергоснабжения мощностью до 10кВт, такими потенциальными потребителями КСАЭ ВИЭ могут быть жители следующих экономических регионов России: Республика Адыгея, Республика Дагестан, Республика Ингушетия, Чеченская Республика, Кабардино-Балкарская Республика, Республика Калмыкия, Карачаево-Черкесская Республика, Республика Северная Осетия-Алания, Краснодарский край, Ставропольский край, Волгоградская область, Ростовская область, Республика Башкортостан, Республика Татарстан, Алтайский край, Камчатская область.
3.2. Авторы надеются на получение положительных результатов данной научно-исследовательской работы и перевод ее в дальнейшем в опытно-конструкторскую. (Результаты НИР должны быть внедрены в образовательный процесс)
3.3. О внедрении результатов НИР в образовательный процесс говорить еще рано, но… В процессе выполнения работ по первому этапу, с целью безусловного выполнения индикаторов и показателей НИР, было проведена организационная работа по созданию научно – технической кооперации. К выполнению НИР с сентября 2009 года к работе привлечены ученые, доктора и кандидаты наук, аспиранты и студенты Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (МГУ ИЭ), Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС), кафедры ЮНЕСКО «Возобновляемые источники энергии» Всероссийского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), кафедры ЮНЕСКО «Возобновляемые источники энергии» МГУ ИЭ, молодые специалисты Научно исследовательского института автомобильной электроники.
3.4 Проведенный в соответствии с Календарным планом анализ отечественного рынка генерирующих блоков - солнечных батарей, микроГЭС и ветроустановок показывает, что несмотря на обширную номенклатуру названий фирм и организаций, предлагающих свою продукцию, в России в настоящее время насчитывается всего несколько фирм, которые в той или иной степени способны удовлетворить потребностям рынка в отработанном и имеющим все признаки товара оборудовании, использующем ВИЭ, готовом для использования в реальных условиях. Подавляющее большинство указанных фирм – это, либо отверточная сборка далеко «не свежих» заграничных разработок; либо – откровенные бывшие в употреблении и, по тем или иным причинам, снятые с эксплуатации установки. Что касается отечественных фирм, то это, в основном, выживающие осколки прежних советских гигантов прикладной, т.н. «отраслевой» науки со всеми вытекающими последствиями нашей российской действительности.
4. Выводы
На основании результатов проведенной на первом этапе НИР работы можно сделать общий вывод о полном выполнении запланированного на 1-ый этап объема работ и о необходимости проведения дальнейших научно-исследовательских работ по второму этапу государственного контракта.
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.12.2009
1. Разработана обобщенная функциональная структурная блок-схема системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии (ОФСБ-С КСАЭ ВИЭ), современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования.
Обобщенная функциональная структурная блок-схема изделия разработана с целью визуализации блочного состава изделия, описания функций, исполняемых этими блоками, а также для обозначения энергетических, командных, информационных и других межблочных связей.
В ОФСБ-С заложено выполнение всех требований к изделию, сформулированных в техническом задании на НИР, а также логика построения, функционирования, контроля и управления изделием.
Разработанная обобщенная функциональная структурная блок-схема КСАЭ является основой для построения конкретных структурных схем автономных источников электроснабжения на основе применения ВИЭ.
2. Сделан выбор и обоснование направления дальнейших исследований с указанием методик проведения этих исследований. Конкретно сформулированы задачи по следующим блокам ОФСБС и разделам деятельности в рамках научно - образовательной деятельности:
- общие вопросы выполнения НИР;
- блок генерации 1 (солнечный преобразователь);
- блок генерации 2 (ветрогенератор);
- блок генерации 3 (микро ГЭС);
- блок накопления и блок преобразования и распределения;
- система автоматического управления и контроля;
- лабораторное моделирование;
- образовательная и педагогическая деятельность;
- результаты интеллектуальной деятельности.
Для достижения результатов по выбранным направлениям работ, будут использованы такие методики проведения исследований, как аналитическая проработка проблемы, проведение математического моделирования реальных физических процессов, проведение сравнительного анализа, необходимых математических расчетов; кроме того – проведение конструкторских проработок с разработкой необходимой рабочей конструкторской документации. И наконец, проведение экспериментального моделирования и, соответственно, экспериментальных исследований.
3. На втором этапе работы получила свое развитие логика авторов в вопросе построения КСАЭ ВИЭ. В Отчете о НИР по первому этапу была продекларирована «… идея применения в комбинированной системе трех преобразователей ВИЭ с полным исключением «взрывных» технологий, сжигающих ископаемое топливо». Сейчас эта идея развита: в разработанной обобщенной функциональной структурной блок-схеме КСАЭ ВИЭ нет ведущего блока генерации, которым во всех комбинированных системах является дизель-генератор и нет «подхватывающих» энергетических блоков в виде солнечной батареи и/или ветрогенератора. Рассматривается система, состоящая из четырех равнозначных генерирующих блоков: солнечной батареи, ветрогенератора, микроГЭС и системы накопления, объединенных активной автоматической системой управления и контроля (АСУК), обеспечивающей бесперебойный транзит электроэнергии потребителю от генерирующих блоков.
Такой новый подход к проблеме создания КСАЭ ВИЭ несет с собой дополнительные коррективы в понятийные, схемные, научно-технические и конструкторские решения. Все эти коррективы учтены при разработке ОФСБ-С КСАЭ ВИЭ. Здесь же следует указать, что разработанная на этом этапе НИР ОФСБ-С КСАЭ ВИЭ на дальнейших этапах при переходе на конкретные конфигурации КСАЭ ВИЭ может быть откорректирована.
4. Одним из результатов рассмотрения вопросов построения и обоснования обобщенной функциональной структурной блок-схемы КСАЭ явилась необходимость уточнения примененного в Техническом задании словосочетания «Лабораторный образец».
В соответствии с требованиями ГОСТ 15.101-98 (СР ППП) «Порядок выполнения НИР» словосочетание «Лабораторный образец» следует понимать как «модель», то есть - изделие, воспроизводящее или имитирующее конкретные свойства заданного изделия и изготовленное для проверки принципа его действия и определения характеристик (в лабораторных условиях).
Данное понимание лабораторного образца, как модели не противоречит цели выполнения НИР, сформулированной в пункте 3 Технического задания: «Создание комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии (солнце, ветер и вода), на современной элементной базе с эффективными системами схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования»
Что касается пункта 4.1 Технического задания «Состав разрабатываемой научной и/или научно-технической продукции», то его следует уточнить и читать как:
« - Эскизная документация на модель КСАЭ ВИЭ;
• модель КСАЭ на базе возобновляемых источников энергии;
• отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов»
Это уточнение хорошо согласуется с пунктом 4.2 Технического задания «Требования по назначению научной и/или научно-технической продукции:
Полученные в процессе выполнения НИР результаты будут являться составной частью научной базы, необходимой при подготовке научных кадров в области возобновляемых источников энергии, а так же для разработки технических решений при расчетах и проектировании генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования в научно-исследовательских и проектных институтах.
Результаты НИР могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание комбинированной системы автономного электроснабжения».
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
1 К основным результатам работы на третьем этапе НИР следует отнести следующее.
1.1 Дополнительно подтверждена идентификация разрабатываемой КСАЭ ВИЭ как гибридной энергетической системы (ГбЭС) распределенной (встроенной) генерации.
Показано, что запланированная и реализуемая схема «интеллектуальной» автоматической системы управления и контроля лежит в русле пока еще «молодой» концепции Smart Grid; дословный перевод - «умная сеть», русский аналог – «активно-адаптивная сеть». КСАЭ ВИЭ соответствует определению Европейской технологической платформы Smart Grid – это «электрические сети, удовлетворяющие требованиям энергоэффективного и экономичного функционирования энергосистемы за счет скоординированного управления и при помощи современных двусторонних коммуникаций между элементами электрических сетей, электрическими станциями, аккумулирующими источниками и потребителями».
Таким образом, заложенные в проектируемую КСАЭ ВИЭ принципиальные научно-технические решения соответствуют современному мировому уровню и являются конкурентно способными по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.
1.2 Автоматическая система управления и контроля параметров КСАЭ является главенствующим элементом активно-адаптивной сети, коей является разрабатываемая КСАЭ. АСУК рассматривается как программно-аппаратный комплекс. Программная часть определяет степень интеллекта системы, степень ее гибкости в самостоятельном принятии необходимого решения, как реакции системы на изменившиеся внешние условия и внутренние параметры. Это - набор рабочих программ и системных утилит, реализующих как основной алгоритм управления системой автономного электроснабжения, так и системные алгоритмы функционирования аппаратуры. Аппаратная часть комплекса - это блок управления и контроля обеспечивающий:
• выполнение основного алгоритма управления и контроля;
• работу системных утилит и программ;
• осуществление самоконтроля и тестирования аппаратной и программной частей АСУК;
• плавное, безаварийное отключение КСАЭ от нагрузки в случае возникновения нештатной ситуации;
• оптимальный выбор режима работы КСАЭ в случае изменения уровня напряжения и тока, поступающих от генерирующих блоков;
• наблюдение за состоянием КСАЭ;
• приём и передачу данных по локальной информационной шине.
1.3 Экспериментально подтвержден теоретический выбор основного алгоритма регулирования, а также принципов работы и алгоритмов управления преобразователями DC-DC и выходным преобразователем DC-AC.
Показано, что предложенная блок-схема основного алгоритма работы «скользящего», «полиномиального» регулятора обладает положительными отличиями от иных алгоритмов.
Подробно описана аппаратная часть блока контроля и управления, базовая структура системного и рабочего программного обеспечения.
  Кроме того, разработаны и сформулированы 8 основных тем экспериментальных исследований и возможных лабораторных работ для ВУЗ - овского курса по возобновляемым источникам энергии.
1.4 Продолжена дальнейшая проработка вопросов адаптации пакета визуального блочного имитационного моделирования Simulink MATLAB с целью решения двух взаимосвязанных задач. Первая - поиск и обоснование оптимальной конфигурации и состава КСАЭ-ВИЭ для конкретного потребителя с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя (модель 1). И вторая, не менее важная задача - создание интеллектуальной системы, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в системе, и соответствующим образом на них реагировать: интеллектуальная система управления и контроля (ИСУК или ИАСУК) должна управлять поведением системы автономного электроснабжения по заранее выработанным алгоритмам (модель 2). Для обеих моделей разработаны схемы графической интерпретации и блок-схемы алгоритмов моделирования в системе Simulink MATLAB.
Т.о., в разрабатываемой КСАЭ наиболее полно используются аналитические и физические возможности системе Simulink MATLAB.
1.5 Для дальнейшего использования возможностей математического моделирования определены параметры первичных источников энергии и их особенности; таким же образом проанализированы параметры преобразовательных установок. Начаты наладочные работы по расчету моделей 1 и 2 с применением конкретных параметров первичных источников и генерирующих блоков.
1.6 Проведена большая инженерная работа по первичному проектированию системы накопления, буферного накопителя и преобразовательно - распределительного устройства. Сформулированы задачи по дальнейшей проработке этих узлов.
1.7 Предварительные компоновочные работы проведены по двум направлениям. Первое – компоновка изделия в соответствии с обобщенной функциональной структурной схемой и второе – схема расположения составных частей изделия (три варианта). В ходе дальнейшей проработки все компоновочные решения могут корректироваться и изменять свою конфигурацию.
2 Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами с неизбежностью возникает из выбранных первичных постулатов построения системы автономного электроснабжения, а именно:
• КСАЭ должна отвечать требованиям построения и функционирования гибридной энергетической системы распределенной генерации;
• КСАЭ должна отвечать требованиям построения и функционирования концепции Smart Grid или активно-адаптивной сети;
• В разрабатываемой КСАЭ используются только ВИЭ – энергия Солнца, ветра и малых водных потоков.
• Разрабатываемая АСУК способна обеспечить наращивание мощности КСАЭ за счет увеличения либо мощности указанных блоков генерации, либо за счет увеличения их количества.
• Кроме того, разрабатываемая АСУК способна обеспечить наращивание мощности КСАЭ за счет подключения других генерирующих блоков, использующих иные первичные возобновляемые источники энергии.
3 К особенностям проведения работы на третьем этапе следует отнести широкий спектр рассматриваемых вопросов. Это и физика атмосферы Земли с точки зрения прохождения солнечного излучения и функционирования ветряных потоков, это и гидродинамика, описывающая параметры малых водных потоков; это - физика полупроводников и электротехника, это – автоматика и микроэлектроника и т.д.
4 Создание объектов интеллектуальной собственности на отчетном этапе не планировалось. Однако, в этот период исполнителями работы были сделано 6 публикаций:
Развернуть
4
01.07.2010 - 15.12.2010
1. Разработана эскизная документация на все генерирующие блоки комбинированной системы автономного электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии – КСАЭ ВИЭ, а также на схему накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования. Описание (Пояснительная записка) приведено в соответствующих разделах Отчета (см. содержание Отчета)
2. Для проведения дальнейших работ по этапу 5 «Изготовление лабораторных образцов генерирующих устройств и схемы» разработана Ведомость покупных комплектующих изделий модели КСАЭ ВИЭ.
3. Разработаны Программа и методики проведения исследовательских и учебных работ на физической модели КСАЭ ВИЭ.
4. Разработана математическая модель КСАЭ с использованием пакета визуального блочного имитационного моделирования Simulink MATLAB для определения оптимальных конфигураций КСАЭ для потребителей любой погодно-климатической и географической зоны земного шара (математическая модель № 1). Разработаны Программа и методики проведения исследовательских и учебных работ на этой математической модели.
5. Продолжена дальнейшая проработка вопросов адаптации пакета визуального блочного имитационного моделирования Simulink MATLAB с целью решения задачи по модели №2:создание интеллектуальной системы, умеющей распознавать конкретные ситуации, происходящие в системе, и соответствующим образом на них реагировать. Интеллектуальная АСУК управляет поведением КСАЭ ВИЭ по алгоритмам, использующим математическую модель № 2.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.06.2011
5.1. Изготовление лабораторных
образцов генерирующих
устройств и схемы накопления,
ее преобразования,
распределения и регулирования.
5.2. Поблочный монтаж схем
лабораторных образцов.
5.3 Сборка лабораторного
образца комбинированной
системы электроснабжения.
Развернуть
6
01.07.2011 - 15.09.2011
6.1.Создание испытательных
стендов.
6.2. Разработка программы
испытаний.
6.3. Испытания лабораторного
образца комбинированной
системы электроснабжения.
6.4. Проведение дополнительных
исследований, обобщение и
оценка результатов
исследований.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Системы автономного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и современных систем аккумулирования и генерирования энергии.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
18
Тема
Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 21 мес.
Бюджетные средства
135 млн
Количество заявок
6
Тема
Разработка научно-технических основ создания эффективных систем автономного общественного освещения на основе оптимального комбинированного использования возобновляемых источников энергии, энергоемких электрохимических аккумуляторов и высокоэффективных осветительных приборов.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 17 мес.
Бюджетные средства
11 млн
Количество заявок
7
Тема
Исследования процессов и разработка научно-технических основ технологий создания когенерационных водородных систем аккумулирования энергии для энергоустановок киловаттного класса мощности на базе возобновляемых энергоисточников
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
10
Тема
Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
18 млн
Количество заявок
9