. Проанализированы основные тенденции развития мирового рынка солнечной фотоэнергетики за последние несколько лет. Показано, что она является одной из самых быстроразвивающихся среди отраслей возобновляемой энергетики и современной промышленности в целом. Очевидно, что себестоимость производимой солнечной энергии стремительно приближается к цене за электроэнергию, генерируемую традиционными методами на АЭС и ТЭС. Отмечены аспекты развития эффективности современных исследовательских солнечных элементов, изготовленных из различных материалов, использующих инновационные технологические решения на основе данных, предоставленных Национальной лабораторией по возобновляемой энергетике (NREL, США) в 2017 г. Для удобства анализа исследовательские солнечные элементы разделены на четыре технологические группы. Рассмотрены преимущества и недостатки солнечных элементов в отдельности по каждой взятой группе, включая особенности их производства и перспективы развития, оценена максимальная эффективность за 2017 г. Возможной альтернативой перспективного развития современных высокоэффективных однопереходных солнечных элементов является использование принципиально новых материалов на основе наногетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками. Продемонстрированы возможности поглощения (переработки) такими структурами как коротковолнового излучения, так и длинноволновой части спектра солнечного излучения с целью выработки электрической энергии при увеличении эффективности солнечных элементов на их основе. Рассмотрены оптимальные материалы для их изготовления и принципы действия на их основе высокоэффективных солнечных элементов. Обоснована перспективность изготовления наногетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками методом жидкофазной эпитаксии с импульсным охлаждением подложки.
Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика
2019. — Выпуск 2
Содержание:
Использование ветрогенераторов – одна из главных альтернатив традиционным технологиям производства электроэнергии. Исключение выбросов продуктов горения на ТЭС, работающих на углеводородном топливе, а также топливной составляющей себестоимости выработки электроэнергии делает технологию весьма привлекательной. Однако жесткость требований функционирования в составе электроэнергетических систем, низкая плотность потока первичного энергоресурса и его неуправляемость, низкий коэффициент использования установленной мощности, ограниченный срок службы, останов при шквалистых порывах ветра и гололедообразовании, большие площади отчуждаемых земель, шумовое воздействие и инфразвуковые вибрации, проблемы утилизации крупногабаритных элементов конструкции и фундаментов требуют всестороннего анализа условий их применения. Анализ природно-климатических условий Беларуси, несмотря на отсутствие пустынных мест и ограничения на строительство сверхвысоких сооружений, свидетельствует о том, что они благоприятные для развития ветроэнергетики. Принципиальной задачей является выбор площадки размещения ветроэнергетических установок с учетом требований охраны окружающей среды, температурно-влажностного атмосферного режима, рельефа местности и геологических особенностей места расположения. Результаты расчетов параметров ветрового потока показали предпочтительность совместного применения функций Вейбулла и Рэлея, дающих доверительную область аппроксимации функции скорости ветра, а особенности рельефа позволяют рассчитывать на получение более высоких значений коэффициента использования установленной мощности. Очевидной перспективой ветровых станций следует считать развитие распределенной генерации при насыщении электрических сетей технологиями Smart Grid, что позволит предоставить новые возможности потребителям и уйти от монополии мощных электростанций и груза базовых издержек большой энергетики.
Ключевые слова
Предложена новая Simulink-модель фотоэлемента, ориентированная на использование стандартной библиотеки элементов систем электроснабжения SimPowerSystems из программного пакета MatLab/Simulink. Модель позволяет изменять значения солнечного излучения, температуры фотоэлемента и сопротивления нагрузки. Результатами работы модели являются расчетные значения напряжений и токов на выходе фотоэлемента. Разработанная Simulink-модель реализует известную зависимость вольт-амперной характеристики фотоэлемента путем использования как стандартных блоков MatLab/Simulink, так и специальных электротехнических блоков библиотеки SimPowerSystems. Модель отличается тем, что последовательное и параллельное сопротивления фотоэлемента в ней выполнены в виде резисторов из библиотеки SimPowerSystems. Основной алгоритм расчета реализован программным путем с использованием языка программирования «С». Для повышения устойчивости алгоритма к алгебраическим циклам введены параметры ограничений. Предложена новая методика расчета параметров модели фотоэлемента на основе экспериментальных данных. Методика предполагает составление системы уравнений с экспериментальными значениями напряжений и токов фотоэлемента. Для фотоэлектрического модуля OSP XTP 250 выполнены экспериментальные исследования в условиях различных значений солнечного излучения, показавшие, что относительная погрешность разработанной Simulink-модели не превышает 12 %. Simulink-модель позволяет формировать фотоэлектрические модули и затем схемы фотоэлектростанций в составе систем электроснабжения. Благодаря этому можно имитировать работу потребителей электроэнергии, погодные условия, наличие теней или загрязнения на поверхности фотоэлектрических модулей, выполнять имитацию развивающихся неисправностей в фотоэлектрических модулях электростанции (например, имитацию снижения КПД модулей из-за их деградации или увеличение их последовательного сопротивления из-за ухудшения внутренних контактов). Разработанная Simulink-модель может быть использована на этапе как проектирования, так и эксплуатации фотоэлектростанций.
Ключевые слова
Рассмотрена новая технология предупреждения образования асфальтосмолопарафиновых отложений тепловым методом электротермического воздействия на ствол нефтяной скважины с применением ветроэлектрической установки в качестве автономного источника питания. Достоинством данного теплового способа воздействия является его непрерывный характер, что позволяет сохранять пропускное сечение насосно-компрессорных труб постоянным. Представлена схема автономного комплекса для внутрискважинного электропрогрева нефти. В качестве электронагревательного элемента, размещаемого в скважине, может выступать трубчатый или индукционный нагреватель. Нагревательный элемент комплекса может применяться в скважинах, эксплуатируемых фонтанным, газлифтным и механизированным способами, при этом для его установки не требуется проведения капитального ремонта. Определены температура насыщения нефти парафином и ее распределение по глубине скважины. Рассчитано количество теплоты, которое необходимо сообщить скважинной продукции в насосно-компрессорных трубах для обеспечения эффективного режима эксплуатации скважины с учетом динамического состояния системы. Установлены оптимальная глубина расположения нагревательного элемента в скважине и его мощность. Выполнен расчет необходимой мощности ветроэлектрической установки для поддержания заданной температуры в стволе скважины. Проведенные исследования показали, что для предотвращения образования асфальтосмолопарафиновых отложений на стенках насосно-компрессорных труб нефтяных скважин целесообразно использовать проточный электронагреватель, который обеспечивает поддержание средней установившейся температуры по стволу и на устье скважины выше точки начальной кристаллизации асфальтосмолопарафиновых отложений. Применение разработанного электротермического комплекса является актуальным в условиях образования асфальтосмолопарафиновых отложений в стволе скважины на месторождениях, не имеющих подключения к централизованной энергосистеме установки для поддержания заданной температуры в стволе скважины.
Ключевые слова
. Рассмотрены основные критерии оценки качества функционирования распределительных электрических сетей и показано, что в электроснабжающих компаниях уже на предпроектном формировании стратегии модернизации и реконструкции электросетей необходимо выбирать оптимальные мероприятия по каждой магистрали с четкой последовательностью реализации в сети выбранных мер с учетом ее перспективного развития. Разработана математическая модель классификации магистралей распределительных электрических сетей по состоянию их функционирования: нормальное, тяжелое и недопустимое. На основе этой модели сформирован алгоритм выбора оптимальных технических мероприятий для реконструкции магистралей в зависимости от их состояния: для магистралей в тяжелом состоянии возможными являются замена провода участка или установление батареи статистических конденсаторов на удаленных трансформаторных подстанциях; для магистралей в недопустимом состоянии по результатам экспертной оценки возможных мер с учетом развития сети, перспективного роста нагрузки, строительства разгрузочных пунктов, присоединения к сети источников распределенной генерации принимается решение о замене сечения провода, переводе части или всей сети на более высокий уровень напряжения. Это позволяет уже на этапе предпроектного формирования стратегии модернизации и реконструкции формализовать процедуру выбора и реализации этих мероприятий, обеспечивая эффективное использование средств на реконструкцию и техническое переоснащение распределительных сетей с целью повышения качества их функционирования. Разработанные математическая модель и алгоритм выбора оптимального технического мероприятия для реконструкции магистрали с учетом перспектив развития апробированы при формировании оптимальной стратегии развития распределительных электрических сетей 6–10 кВ Западного региона Украины.
Ключевые слова
В статье представлено математическое моделирование генератора возвратнопоступательного типа с электромагнитным возбуждением, в результате которого получены эквивалентная электрическая схема, схема магнитной цепи генератора и выражения, описывающие электромагнитные процессы в генераторе возвратно-поступательного типа с электромагнитным возбуждением. Разработана нелинейная математическая модель генератора возвратно-поступательного типа с электромагнитным возбуждением. Для экспериментальной проверки адекватности математической модели возвратно-поступательного электрического генератора, а также правомерности принятых допущений был изготовлен макетный образец возвратно-поступательного электрического генератора, состоящий из неподвижной части в виде двух П-образных магнитопроводов и подвижной части, представляющей собой Н-образный магнитопровод. На обоих П-образных магнитопроводах устанавливается сосредоточенная рабочая обмотка. На Н-образный магнитопровод намотана обмотка возбуждения и подключена к источнику постоянного тока. В макетном образце возвратно-поступательного электрического генератора для имитации свободнопоршневого двигателя применяется приводной электродвигатель мощностью 100 Вт с амплитудой возвратно-поступательных колебаний подвижной части, равной 16 мм, и частотой колебаний, регулируемой в диапазоне от 5 до 50 Гц. Экспериментально получены основные характеристики генератора (характеристика холостого хода и внешняя характеристика). Сравнение экспериментальных и расчетных результатов показывает их расхождение не более чем на 4 %, следовательно, нелинейная математическая модель отражает характеристики генератора продольного типа с высокой степенью адекватности.
Ключевые слова
. В промышленных теплотехнологических установках ускоренной гидратации бетона, являющихся основным элементом теплоэнергетической системы предприятий железобетонных изделий, режимы тепловой обработки и организация подвода теплоты к обрабатываемому в них изделию обусловлены требуемым распределением температур в объеме бетонного тела, обеспечивающим заданное качество продукции. Для оптимизации процессов, протекающих в таких теплотехнических устройствах, разработана математическая модель процесса твердения подвергаемого тепловой обработке бетонного изделия, позволяющая рассчитать пространственное распределение по его объему температуры и степени гидратации активной части цементного клинкера. Предлагаемая модель основывается на использовании нестационарного трехмерного уравнения теплопроводности, учитывающего внутренние тепловыделения, обусловленные протеканием экзотермической реакции в бетонном теле и предопределяющие степень его гидратации и твердения. Для заданного режима тепловой обработки методом конечных объемов выполнено численное моделирование процесса твердения симметричного бетонного объекта кубической формы. В выделенных точках исследуемого объекта в зависимости от времени термообработки рассчитаны скорости изменения температуры и степени гидратации, проведен их анализ. При анализе графиков скорости изменения температуры выявлены характерные перегибы, согласующиеся с заданным тепловым режимом работы нагревателя. При заданном режиме тепловой обработки вида «подъем температуры – изотермическая выдержка – понижение температуры» в выделенных точках объекта наблюдается увеличение температуры по сравнению с температурой изотермической выдержки. Отмечается сдвиг температуры по сравнению с заданным тепловым режимом работы нагревателя, обусловленный неравновесностью процесса твердения бетона. Предлагаемая математическая модель позволяет определять момент достижения заданной температуры для любой точки внутреннего пространства подвергающегося тепловой обработке изделия, что можно использовать при проектировании новых и модернизации существующих теплотехнологических установок ускоренной гидратации бетона, а также систем автоматизированного управления процессом твердения бетона в указанных устройствах. Полученные в ходе исследования результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными других авторов.
Ключевые слова
В настоящее время около 90–95 % типовых регуляторов используют ПИД-алгоритм формирования управляющих воздействий, при этом среди ПИД-регуляторов 64 % используется в одноконтурных системах. Большинство отраслей промышленности, в том числе энергетика, содержат сотни систем автоматического управления, качество работы которых является основой экономической эффективности технических процессов, обеспечивая безопасность, надежность, долговечность и экологичность работы как технологического оборудования, так и самих технических средств автоматизации. Существуют разные модификации реализации структуры ПИД-регуляторов. На практике чаще всего применяют идеальные ПИД-регуляторы с фильтром, а также классические ПИД-регуляторы как последовательное соединение идеального и реального ПД-регуляторов в виде звеньев быстрого реагирования. Актуальной становится задача выбора рациональной структуры и метода параметрической оптимизации ПИД-регуляторов, которые обеспечивают лучшие прямые показатели качества при отработке основных воздействий в одноконтурных системах автоматического управления. Вместе с тем только для классических ПИД-регуляторов, широко используемых в настоящее время, существует более трехсот методов настройки трех параметров оптимальной динамической настройки, а также балластной постоянной времени. Из-за этого возникает проблема обоснования лучшей структуры и метода параметрической оптимизации классических ПИД-регуляторов. В качестве базового варианта выбран один из самых простых и наглядных – метод автоматизированной настройки регулятора в среде Simulink MatLab, который сравнивался с методом полной компенсации в общем виде для объектов с передаточной функцией в виде инерционного звена с условным запаздыванием. Также предложены два варианта реализации управляющего воздействия на базе структурной схемы оптимального регулятора, разработанного Белорусским национальным техническим университетом. В отличие от классического ПИД-регулятора оптимальный регулятор имеет один параметр динамической настройки. Результаты моделирования переходных процессов при основных возмущениях подтверждают, что лучшие прямые показатели качества обеспечивает оптимальный регулятор. Это позволяет рекомендовать его для широкого внедрения вместо классических ПИД-регуляторов.