К вопросу создания гибридных энергетических систем



В данной работе рассматривается вопрос, связанный с трудностями управления гибридными энергетическими системами основанные на возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Раскрываются основные уязвимые моменты использования и эксплуатации этих систем. Резюмируя положительные и отрицательные стороны гибридных энергетических систем используемых ВИЭ, для создания гибридных энергетических систем предлагается концепция использования реактивных газотурбинных двигателей (ГТД). При этом доказана возможность использовать биогаз за основу топлива для ГТД. Приводится принципиальная схема такой конструкции и балансовое уравнение получения тепловой энергии. Предлагается алгоритм технологии выбора асинхронных двигателей для выработки электрической энергии. Так как обороты вала ГТД очень высокие, подключения асинхронных двигателей к валу требует выбора определенного типа двигателя.

Ключевые слова: гибридная энергосистема, реактивный двигатель, возобновляемые источники энергии, газотурбинный двигатель, управление, конструкция, эксплуатация систем.

Введение . Сокращение запасов традиционных источников энергоносителей и тенденция к повышению энергетической эффективности заставляют людей искать все более эффективные методы использования традиционных и нетрадиционных источников энергии. В последнее время системы гибридного энергоснабжения все больше набирают популярность. Системы гибридного энергоснабжения предусматривают использование различных источников энергии. Электрическая энергия генерируется с использованием солнечных фотоэлектрических панелей, ветряных турбин или других систем преобразования. Генерирование тепловой энергии для систем отопления, горячего водоснабжения и технологических процессов осуществляется с использованием солнечных коллекторов (плоских и вакуумных трубчатых), геотермальных систем, а также других преобразователей тепловой энергии. Сочетание различных возобновляемых источников энергии — это не только наличие таких элементов, как солнечные коллекторы, фотоэлектрические панели, ветровые турбины, тепловые насосы, но и использование единой системы управления для обеспечения эффективной работы этих элементов, что составляют основу более стабильной гибридной системы энергоснабжения.

В последние годы темпы развития высоких технологий значительно повысились. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) стали в центре внимания энергетиков, физиков, ученных и политиков. В связи с этим начались усиленные разработки технологии использования ВИЭ. Для покрытия энергетических нужд географически отдаленных регионов от больших городов требуется широкомасштабное внедрение в эту сферу доступных альтернативных источников энергии. Так как для таких регионов нецелесообразно, а иногда невозможно, провести различные типы линии энергопередач, то оптимальным решением для обеспечения энергоснабжением этих регионов является использования ВИЭ. Солнце, ветер и биотопливо является самым лучшим выбором ВИЭ в данных территориях. Но здесь появляются трудности использования этой технологии. Эти трудности связаны погодными и географическими условиями. Солнечные панели неэффективно использовать при пасмурной погоде, а ветрогенераторы — при переменной ветряной погоде и т. д. Здесь порождается еще другая задача, связанная с установкой конструкции, вырабатывающих энергию. Данная ситуация требует создания модульно-гибридной энергосистемы, дающие одновременно электрического и других видов энергии, которые не зависят от солнечных панелей и от ветрогенераторов.

Для этой цели можно использовать реактивные двигатели, при этом используя вместо топлива для этих двигателей биогаз. Таким образом можно было бы получать электрическую и тепловую энергию. Такой подход облегчит неприятности, связанные с установкой различных конструкции. Поэтому создания гибридных энергетических систем на базе реактивных двигателей малой мощности и имеющий портативной формы имеет востребованный характер для отдаленных регионов. Такая энергетическая система должна иметь модульную конструкцию. Каждый модуль мог бы вырабатывать электрическую или тепловую энергию. Тем самым мы могли бы решить задачу энергоснабжения для отдаленных регионов, куда невозможно провести различные типы линии энергопередачи.

Цель работы. Разработка технологии создания портативно-гибридных энергетических систем на базе реактивных двигателей.

Метод решения.

Повышение энергетической эффективности и необходимость ресурсосбережения являются актуальными проблемами в практически всех странах мира. Для решения этих проблем в последние годы разрабатывается новая энергетическая политика, основанная на использовании гибридных энергетических систем с возобновляемыми источниками энергии (HRES — Hybrid Renewable Energy System), в которых традиционные источники электроэнергии объединены с возобновляемыми (такими как солнечные панели, ветровые генераторы и другими). Подобные решения значительно влияют на социально-экономические факторы региона.

Глобальное потепление и значительное увеличение цен на традиционные источники энергии становятся критической проблемой многих стран. В последние годы есть большая необходимость повышения энергоэффективности экономического развития, при этом не имея вреда на экологическую ситуацию в мире, требуется создание новой энергетической политики, основанной на использовании энергосистем с возобновляемыми источниками энергии.

Существующие на сегодня гибридные энергетические системы и алгоритмы управления ими не удовлетворяют требования эффективности по ряду причин. Во-первых, не учитывается стоимость электроэнергии, вырабатываемой различными поставщиками (источниками электроэнергии); во-вторых, при недостаточности для потребителей электроэнергии, полученные возобновляемыми источниками энергии, используются внешние энергосети без учета тарифного плана электроэнергии и зачастую покупаются по невыгодной цене. Управление энергетическими системами с возобновляемыми источниками энергии является сложной задачей, так как на функционирование системы влияют внешние воздействия (такие как погодные условия) и внутренние факторы (тарифные планы, мощности нагрузки, состояния помещении). Качество решения данной проблемы зависит от имеющихся данных об энергетической системе (о потреблении и производстве электроэнергии) и от применяемых методов обработки информации и управления. В работах Ванга (Wang), Вичерта (Wiehert), Родольфо (Rodolfo), Джереми (Jérémy) и других предлагаются отдельные решения по проектированию и управлению гибридными энергосистемами, однако в них не учитываются прогнозные значения факторов, что снижает эффективность применения подобных подходов. Для устранения этих трудностей управления гибридными энергосистемами можно использовать газотурбинные реактивные двигатели за первичного источника энергии. При таком подходе к конструкции гибридным энергосистемам вышеописанные трудности легко устраняются.

Для начала рассмотрим принцип работы реактивного двигателя. Реактивный двигатель — двигатель, который обеспечивает продвижение вперед, быстро выпуская струю жидкости или газа в направлении, противоположном направлению движения. Чтобы создать высокоскоростной поток газов, в реактивном двигателе горючее сжигается в кислороде, содержащемся в воздухе. Они выбрасываются через заднюю часть реактивного двигателя и создают прямую тягу в соответствии с законами движения Ньютона. Ракеты устроены по тому же принципу, но поскольку у них есть свой запас кислорода, они могут находиться вне пределов земной атмосферы. Использование малых газотурбинных электростанций целесообразно для удалённых или экономически обособленных потребителей, для которых характерны длительные периоды непрерывной работы (в противовес поршневым агрегатам) либо простоя, делающего невыгодным создание мощных подключений к централизованным электросетям. Еще одной особенностью использования малых газотурбинных электростанций является отопления объекта или использовании параллельно получаемого тепла в других целях.

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, и считается полезной работой двигателя. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС , до 6 кВт/кг.

В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать : бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельчённый уголь.

Пользуясь этим свойством ГТД, можно конструировать эффективно работающую гибридную энергетическую систему по принципу, показанной на рис. 1, только использованием биогаза как топлива.

Рис. 1. Гибридная энергетическая система на базе ГТД

С вхождением в широкую практику мощных полупроводниковых преобразователей напряжения (инверторов) и бесколлекторных генераторов большой мощности на постоянных магнитах стало оправданным создание газотурбинных электростанций с мощностью от десятков киловатт, обозначаемых термином «микротурбины». В такой установке отсутствует редуктор, а частота вращения турбины может изменяться по необходимости (изменение нагрузки и др.). Генератор вырабатывает ток сравнительно высокой частоты (килогерцы), который выпрямляется и преобразуется в трёхфазный ток промышленной частоты инвертором. Единственная движущаяся деталь, объединяющая колёса турбины и компрессора и ротор генератора, может быть подвешена в газодинамических подшипниках, исключающих износ.

Тепловая балансовая уравнение этой системы определяется с помощью уравнения теплопроводности.

А также количество от данной или принятой теплоты зависит от разности температур: от того, на сколько градусов остывает или нагревается тело, от . На самом деле количество теплоты — это тоже «дельта», оно показывает изменение энергии.

Количество переданной или полученной телом теплоты Q m , а коэффициент пропорциональности, который называется удельной теплоемкостью и обычно обозначается c , определяется веществом. Удельная теплоемкость — это количество теплоты, которое нужно передать 1 кг вещества, чтобы нагреть его на 1 ⁰ C:

где

Теперь в задачах, в которых описан тепловой баланс, мы сможем рассчитать по известной формуле количество теплоты, поглощенное при нагревании одних тел, и количество теплоты, отданное при остывании других тел. И тогда только останется правильно записать уравнении Q _отд = Q _прин . Уравнение теплового баланса помогает нам решать задачи независимо от количества тел, участвующих в теплообмене, и независимо от способов передачи тепла. Необходимо лишь выделить систему, которую при решении задачи можно считать замкнутой, и применить закон сохранения энергии.

Для определения производительности биогазовой установки можно использовать следующие расчеты :

1. Если принят непрерывный способ загрузки, и объем метантанка рассчитан на все поголовье, то суточный объем загрузки определяется как масса суточных экскрементов, кг:

где — количество животных; m _уд — удельный выход экскрементов в сутки.

2. Определяется доля сухого вещества (СВ) в загружаемом материале, кг:

где W _Э — влажность массы экскрементов, %.

3. Определяется доля сухого органического вещества (СОВ) в навозе:

где Р _{сов %} — доля СОВ в сухом веществе навоза.

4. Определяется выход биогаза при полном разложении СОВ навоза, м ³ :

где n _эк — выход биогаза из 1 кг СОВ различного исходного материала, м ³ /кг.

5. Определяется объем полученного биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения, м ³ :

где n _t — доля выхода биогаза от исходного материала при данной продолжительности метанового процесса, %.

Пример.

В качестве исходных данных задаемся следующими параметрами :

— удельный выход экскрементов в сутки — m _уд =55 кг/сут;

— влажность массы экскрементов — W _Э = 85 %;

— доля СОВ в сухом веществе навоза — Р _сов %= 80 %;

— выход биогаза из 1кг СОВ различного исходного материала — n _эк = 0,42 м ³ /кг;

— доля выхода биогаза от исходного материала при данной продолжительности метанового процесса — n _т =60 %;

— теплотворная способность биогаза — С _б =21,6 МДж/м ³ .

По описанной выше методике производим расчет, позволяющий определить теоретический валовый потенциал биогаза проектируемой биогазовой станции.

Определяем объем единовременной загрузки метантенка по формуле (1):

Определяем долю сухого вещества в загружаемом материале по формуле (2):

Определяем долю сухого органического вещества в навозе по формуле (3):

Определяем выход биогаза при полном разложении СОВ по формуле (4):

Определяем объем полученного биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения по формуле (5):

Определяем по формуле потенциальные запасы энергии биогаза выработанного за сутки:

ИТОГ

1т = 28,2 = 609,5 МДж

Пользуясь этим свойством ГТД, можно конструировать эффективно работающую гибридную теплоэлектрическую систему, работающую на биогазе [5]. Использование биогаза как топливо имеет большие преимущества. Так как отходный материал, полученный из реактора горения, является ценным агропродуктом. Ниже прилагаем разработанную нами вышеописанную станцию.

Техническая реализацияпредлагаемой энергосистемы была выполнена следующим образом на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема объединенной энергосистемы на базе ГТД: 1. ГТД; 2. Электрогенератор; 3. Контроллер; 4. Аккумулятор; 5. Инвертор; 6. Аккумулятор тепла; 7. Электрическая сеть; 8. Потребитель

Технические характеристикигибридной энергосистемы на базе ГТД имеет размер в 30х14х14, при весе 10 кг (рис. 3).

В ГТД(21) процессы происходят в потоке движущегося газа. Сжатый атмосферный воздух из компрессора(1) поступает в камеру сгорания(2), куда также подаётся биогаз(11), которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре(7). Остальная часть работы передаётся через(8) на приводимый агрегат(9). Выработанная электрическая энергия передается в распределительную сеть(22). Выхлопной газ через турбины(6) подается на аккумулятор тепла(10). Далее, выхлопной газ нагревая холодную воду поступающий из трубы (3) выбрасывается через трубу(5). Горячая вода в виде тепловой энергии снимается с трубы(4) и передается тепличному хозяйству(23). Из тепличного хозяйства(23) холодная вода через трубу(3) поступает в аккумулятор(10). В качестве топлива используется биологический газ, получаемый от биогумусных отходов из газгольдера (12). Биогаз полученной в биореакторе(15) проходя фильтр(14) высасывается(13) в газгольдер(12). Биологические отходы поступают в биореактор методом всасывания(17) из приемника отходов(18), находившиеся в приемнике(20). Полученный биогаз с помощью мешалки(16) доводится до нужной кондиции, и газ отправляется в газгольдер. Остаток (органический гумус) передается в приемник(19). Гумус, находящийся в приемнике (20), является незаменимым земельным продуктом для тепличных хозяйств.

При использовании газа метана с объемом 1 л выработалось 3,3 кВт/ч электроэнергии и 3500 ккал тепла одновременно. Получение электрической и тепловой энергии управляется подачей газа и воздуха. Если использовать 30 л большой бытовой газовый баллон, то мы получаем 30–35-часовой цикл работы ГТД и приблизительно 95 кВт/ч электроэнергии и в зависимости от температуры местности получим 330·10 ³ ккал тепла.

Рис. 3. Гибридная энергостанция станция.

Выводы. Сравнительно, анализ схем автономных гибридных энергостанции показал, что сопряжения различных типов гибридных энергостанции в одной энергосистеме является наиболее перспективным вариантом использования вставки постоянной энергии. В этом случае гибридный энергетический комплекс, построенный по агрегатному варианту, легко масштабируется. Кроме того, можно объединить структуру и конструкцию электронов силовых преобразователей. Используя их построение можно проще разработать линию управления модельного мощностей. Данная работа даёт лишь некоторые рекомендации на предмет того, как можно наладить производство гибридных систем альтернативной энергетики на собственной территории. В литературе такие системы определяются как система распределенной генерации энергии или малой энергетикой.

Литература:

1. Даменов Е. А., Рустамов Н. Т. Создание гибридных энергетических систем//Техника. Технологии. Инженерия. — 2018. — № 2. — С. 33–35. — URL https://moluch.ru/th/8/archive/85/3222/.

2. Рустамов Н. Т., Конусов Б. Р., Рустамов Е. Н. Создание гибридного источника энергии. Вестник МКТУ им. А. Ясауи, № 1(81), 2013, с.69–72.

3. Рустамов Н. Т., Мейрбеков А. Т., Мейрбеков С. А., Конусов Б. Р. Биоэнергетическая установка. Инновационный патент РК № 29833 от 05.2015 бюл. № 5.

4. Рустамов Н. Т., Мейрбеков А. Т. Салихова Г. Х., Тастеков Н.Қ., Асилбаева А. П. Гибридная станция теплоэлектрической энергии. Патент РК на полезный модель № 6070 от 01.02.2021

5. Рустамов Н. Т., Меирбекова О. Д. Гибридная агротеплоэлектрическая станция. Материалы III международной научно-практическая online конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии: опыты и перспективы», Кызылорда — 2021, с.29–33.

6. Рустамов Н. Т., Мейрбеков А. Т., Мейрбекова О. Д. Способ всесезонного электроснабжения теплицы из альтернативного источника энергии. Патент РК на полезный модель № 6797 от 04.01.2022.