Создание гибридных энергетических систем

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

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

Введение. Сокращение запасов традиционных источников энергоносителей и тенденция к повышению энергетической эффективности заставляют людей искать все более и более изощренные методы использования традиционных и нетрадиционных источников энергии. В последнее время системы гибридного энергоснабжения становятся весьма популярны [1]. Они 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 [2]. Повышение энергетической эффективности и необходимость ресурсосбережения являются актуальными проблемами практически во 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.

Существующие на сегодня гибридные энергетические системы и алгоритмы управления ими недостаточно полно удовлетворяют требованиям эффективности по ряду причин. Во-первых, не учитывается стоимость электроэнергии, вырабатываемой различными поставщиками (источниками электроэнергии); во-вторых, если электроэнергии, выработанной источниками возобновляемой энергии, недостаточно для потребителей, то используются внешние энергосети без учета тарифного плана электроэнергии и зачастую по невыгодной цене. Управление же энергетическими системами с возобновляемыми источниками энергии является сложной задачей, так как на функционирование системы влияют внешние воздействия (погодные условия) и внутренние факторы (тарифные планы, мощности нагрузки, состояния помещения) [3]. Для устранения этих трудностей управления гибридными энергосистемами можно использовать в качестве первичного источника энергии газотурбинные реактивные двигатели [4]. В этих системах вместо первичного топлива можно использовать биогаз [5]. При таком подходе к конструкции гибридным энергосистемам вышеописанные трудности легко устраняются. Поэтому создание гибридных энергетических систем на базе реактивных двигателей малой мощности и имеющих портативную форму для локально отдаленных регионах имеет востребованный характер. Такая энергетическая система должна иметь модульную конструкцию. Каждая модуль мог бы вырабатывать электрическую и тепловую энергию. Тем самым мы могли бы решить задачу энергоснабжения для отдаленных регионов, куда невозможно провести различных типов линии энергопередачи.

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

Метод решение. 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), особенно — при необходимости отопления объекта или другом использовании параллельно получаемого тепла.

На рис.1 показана принципиальная схема гибридной энергетической системы, работающий на базе газотурбинных реактивных двигателей. Эта система работает следующим образом. Очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник (3) откуда он поступает на вход в компрессор (4). В компрессоре воздух сжимается и за счёт этого нагревается до температуры 120 °С. После компрессора воздух поступает специальный воздуховод (5) между компрессором и камерой сгорания. Далее нагретый сжатый воздух перед камерой сгорания (10) смешивается с газообразным топливом (биогаз, природный газ), откуда гомогенная газовоздушная смесь поступает в камеру сгорания (6) для горения. Покидая камеру сгорания, нагретые выхлопные газы до температуры 250 °С попадают в колесо турбины (7), где, расширяясь, совершают работу, вращая её, а также, расположенные на этом же валу редуктор (2) и генератор (1). Покинув турбину (7), по газоходу (8), выхлопные газы с температурой 350 °С попадают в аккумулятор тепла (9), где отдают своё тепло сетевой воде, которая там нагревается до требуемой температуры. Температура выхлопных газов на выходе из аккумулятора тепла (9) 70 °С. Частота вращения вала двигателя составляет 28000–30000 об/мин, с помощью редуктора которого передаточное число составляет 8: 1 получаем частоту вращения ротора генератора 3000–3500 об/мин.

Вырабатываемое высокочастотное напряжение генератора подвергается двойному преобразованию: из высокочастотного переменного в постоянное, а затем в переменное 220 или 380 В с частотой 50 или 60 Гц.

Сферы использования газотурбинных электростанций

Основными преимуществами модульно гибридной энергосистемы по сравнению с «чисто» солнечными технологиями являются:

‒ экономическая рентабельность;

‒ легко управляемость.

Рис. 1. Принципиальная схема газотурбинной гибридной энергетической системы

Тепловая балансовая уравнение этой системы определяется с помощью уравнения теплопроводности, а также количество отданной или принятой теплоты зависит от разности температур: от того, на сколько градусов остывает или нагревается тело, от △t. На самом деле количество теплоты — это тоже «дельта», оно показывает изменение энергии. Количество переданной или полученной телом теплоты Q~m△t, 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 1⁰С:

C = , Q = cm△t, c = const

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 уравнение 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.

Выводы. На сегодняшний день, в целом ряде стран, достаточно эффективно действует дегенеративная система внедрения научно-технических разработок и изобретений. При такой системе, судьбу новой разработки или изобретения решают финансисты, бухгалтеры или те, кто в этом деле просто ничего не соображает. Такая система, с одной стороны является очень эффективным тормозом в развитии научно-технического прогресса, с другой стороны, она же является достаточно мощным стимулом для налаживания собственного производства в тех странах, где этой системы нет. Данная статья, даёт лишь некоторые рекомендации на предмет того, как можно наладить производство гибридных систем альтернативной энергетики на собственной территории, а также даёт лишь только общее представление о гибридных системах вообще. Если только те немногие идеи, которые изложены в этой статье, начать реализовывать, то этой работой можно обеспечить инженеров, конструкторов, производителей на долгие годы вперед.

Литература:

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

3. Мультиагентный метод управления энергопотоками в гибридной энергосистеме с возобновляемыми источниками энергии / Май Нгок Тханг, Камаев В. А., Щербаков М. В., Чинь Тхэ Хунг // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. — 2013. — № 2. — С. 30–41.

4. Казанджан П. К., Алексеев Л. П., Говоров А. Н., Коновалов Н. Е., Ю. Н. Нечаев, Павленко В. Ф., Федоров Р. М. Теория реактивных двигателей. М. Воениздат. 1955

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