Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 25-30 (2018)
Скачать выпуск PDF

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА

12-24 198
Аннотация

Одним из основных факторов, влияющих на мощность фотоэлектрических станций, является взаимное частичное затенение солнечных панелей. Вследствие особенностей электрических схем соединения фотоэлектрических ячеек в фотомодулях (ФМ) и наличия обводных диодов частичное затенение может в несколько раз снижать мощность ФМ и, соответственно, существенно уменьшать эффективность генерации фотоэлектрической станции (ФЭС) в определенные часы дня. Частичное затенение рядов солнечных панелей по разному влияет на выработку энергии при вертикальном размещении ФМ в рамах солнечных панелей (портретная ориентация) и при горизонтальном размещении ФМ (альбомная ориентация). В данной работе предложен новый метод определения влияния частичного затенения на выработку ФЭС, применимый для любого сезонного периода работы ФЭС. Исходными данными для расчетов являлась почасовая генерация затененного и полностью освещенного рядов панелей. На основе этих данных рассчитывался фактор мощности, описывающий зависимость электрической мощности панели от степени затенения. Фактор мощности служит для определения суммы радиации, поступающей на наклонную поверхность панелей в течение каждого дня рабочего периода станции. При этом использовались многолетние данные измерений основных компонентов солнечной радиации для района расположения ФЭС и анизотропная модель радиации. Впервые предложены карты распределения среднесуточной генерации, имеющие вид контурных графиков в координатах «плотность размещения рядов панелей – угол наклона». Эти карты позволяют найти оптимальные соотношения указанных параметров при решении двух типов задач: 1) обеспечения максимально возможной выработки при заданной установочной мощности ФЭС или общей мощности ФМ; 2) определения наиболее рационального использования земельного участка под ФЭС, то есть получения максимальной выработки с единицы площади участка. Преимуществом предложенного аналитического подхода является то, что здесь допускается масштабирование на большие фотоэлектрические системы без увеличения времени компьютерных вычислений. В качестве примеров выполнены оптимизационные расчеты на основе данных мониторинга выработки ФЭС, расположенных в Германии, и данные эксперимента с затенением в Одесской области.

25-33 179
Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований горизонтально-осевого ветроагрегата с соосным расположением ветротурбин. Предполагается, что такая компоновка ветротурбины может быть использована при проектировании ветроагрегатов относительно небольшой мощности и при размещении на ограниченной площади, поскольку соосные системы имеют преимущества по габаритным показателям и максимальному использованию ометаемой площади. Возможность использования соосных горизонтально-осевыхветротурбин исследовалась с точки зрения положительного или отрицательного влияния турбин друг на друга. Обзор литературы показал, что при определённых условиях функционирование близко расположенныхтурбин может в целом улучшать характеристики потока, при этом повышая общую эффективность ветроэнергетической системы. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе Т-5 с двумя соосными модельными двухлопастными ветротурбинами, вращающимися в противоположных направлениях. Генератородной турбины находился с ней на одном валу в рабочей части аэродинамической трубы, а второй – в нижнемотсеке экспериментального стенда и был связан с турбиной через трансмиссионную передачу. На основе созданного испытательного стенда проводилась фиксация динамических, энергетических и частотных характеристик ветроэнергетической системы. Фиксация динамических характеристик проводилась с помощью комбинированного приёмника давления Пито – Прандтля. Энергетические показатели фиксировались автоматическими приборами учёта. Для замера частоты вращения турбин применялся лазерный метод с последующейфиксацией данных частотомером. Полученные данные подвергались некоторой корректировке, связанной стехническими особенностями проведения эксперимента. При низких скоростях ветра наблюдалось падениемощности соосного ветроагрегата по сравнению с изолированно работающей ветротурбиной. Такое падениесвязывалось с наличием возвратных потоков, которые усиливают турбулентность. При увеличении скоростиветра влияние возвратных потоков снижалось, при этом мощность ветроэнергетической системы с сооснымрасположением турбин значительно возрастала и превосходила мощность изолированно работающей турбины. Результаты показали возможность использования соосной компоновки ветротурбин для определённыхтипов ветроагрегатов и её перспективность при условии более детального исследования.
34-43 142
Аннотация

Показаны особенности моделирования вибрационных сигналов вращающихся узлов ветрогенераторов. Обосновано применение вибродиагностики как одного из наиболее перспективных методов диагностирования ветрогенераторов. Доказана целесообразность использования статистического подхода для решения задач вибродиагностики вращающихся узлов ветрогенераторов. Отмечается, что построение эффективной системы вибродиагностики состоит из нескольких этапов: формирование математической модели вибраций диагностируемого узла с учетом особенностей его работы; создание или выбор аппаратного и программного обеспечения; разработка методов построения решающих правил по диагностике узлов ветрогенератора; экспериментальная проверка предложенных методов вибродиагностики. Впервые для моделирования таких процессов используются решения обратной задачи линейных процессов авторегрессии. Метод нахождения характеристической функции порождающего процесса для линейного процесса авторегрессии второго порядка AR(2) применяется для решения такой задачи, которую называют обратной задачей. Используются свойства характеристической функции стационарного линейного случайного процесса авторегрессии, которую можно представить как в канонической форме Колмогорова, так и в форме линейного случайного процесса с дискретным временем, а также ядра преобразования для такого процесса. Представлены примеры нахождения характеристической функции для линейного процесса авторегрессии второго порядка, имеющего гамма-распределение. Применяются свойства ядра преобразования, ядра линейного процесса авторегрессии, а также свойства пуассоновских спектров скачков. Показано, каким образом применяются полученные результаты для нахождения характеристической функции вибросигнала ветрогенератора с целью моделирования таких процессов. Приводятся особенности применения данного подхода для моделирования вибраций подшипника качения ветрогенератора USW 56-100 со стороны корпуса главного вала, установленного на стенде для испытаний ветрогенераторов. Экспериментальные исследования показали, что вибрации такого узла можно моделировать линейным процессом авторегрессии второго порядка имеющего гамма-распределение. Найдена характеристическая функция порождающего процесса для такого линейного процесса авторегрессии. Приведены примеры ядер вибрационных сигналов ветрогенератора при использовании линейной модели авторегрессии для случая, когда данным методом можно решить обратную задачу, и для случая, когда решить обратную задачу невозможно. 

44-50 139
Аннотация

На основании решения задачи нестационарного теплообмена при движении жидкости в подземных проницаемых слоях получена зависимость для определения времени работы геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) в режиме постоянной и падающей температуры. Установлено, что при толщине пласта Н < 4 м влияние теплопритоков при = 0,99 и = 0,5 практически одинаковое, но при толщине пласта Н > 5 м влияние теплопритоков существенно зависит от температуры. При толщине проницаемого пласта Н > 20 м теплоприток при = 0,99 практически не влияет на тепловые процессы в проницаемом пласте, однако при = 0,5 теплоприток в зависимости от скорости движения может составлять от 50 % до 90 %. Только при Н > 50 м влияние теплопритока значительно уменьшается и составляет, в зависимости от скорости фильтрации, от 50 % до 10 %. Установлено, что тепловое воздействие горного массива при толщине проницаемого слоя более 10 м, расстояние между контуром нагнетания и эксплуатации, а также скорость движения теплоносителя практически не влияют на определение времени работы ГЦС в режиме постоянной температуры. Определено, что во время работы ГЦС при безразмерной температуре теплоносителя = 0,5 существенной является скорость движения теплоносителя. При увеличении скорости движения теплоносителя в два раза погрешность изменяется в 1,5 раза.

51-59 149
Аннотация

Рассматривалась проблема утилизации отходов спиртовой промышленности, обусловленная широким использованием спирта как биотоплива. В технологии производства спирта из зерновых культур образуется послеспиртовая барда (ПСБ) (на 1 дм3 спирта 10–20 дм3 ПСБ), которая относится к высококонцентрированным сточным водам (значение ХПК достигает 40 г O2/дм3). Поскольку существующие физико-химические методы переработки послеспиртовой барды не рентабельны, разрабатываются новые технологии ее утилизации, например анаэробное сбраживание. Кроме очистки высококонцентрированной сточной воды, преимущество данной технологии заключается в получении биогаза и высококачественного удобрения. Однако к проблемам биотехнологии получения биогаза из барды относятся ее высокая кислотность – рН 3,7–5,0 (оптимальное значение рН для процесса метаногенеза 6,8–7,4) и низкое содержание азота, недостаток которого ингибирует развитие ассоциации микроорганизмов. Для решения этих проблем используют дополнительное сырье различного происхождения (химические соединения, отработанный анаэробный ил, отходы животноводческих ферм и др.). В данной работе определено рациональное соотношение компонентов сбраживаемой смеси: косубстрата, послеспиртовой барды и сточной воды предприятия – при коферментации для получения энергоносителя (биогаза) и эффективной очистки сточной воды спиртзавода. Для обеспечения оптимального для метаногенеза значения рН в качестве косубстрата использовали помет. Процесс коферментации ПСБ с пометом проводили при соотношениях по сухому веществу 1:1; 1:3; 1:5; 1:7 соответственно. Установлено, что при недостаточной концентрации помета в смеси (соотношение ПСБ/помет – 1:1; 1:3) в процессе ферментации значение рН снижается, что отрицательно влияет на образование метана. При повышении концентрации помета в среде (соотношение ПСБ/помет – 1:5; 1:7) процесс характеризуется высоким выходом биогаза и содержанием в нем метана. Максимальный выход биогаза наблюдался при соотношении компонентов по сухому веществу «сточная вода : барда : помет» – 0,2:1:7 соответственно с концентрацией метана 70±2 %. После очистки сточной воды показатель ХПК снизился на 70 % при коферментации с комбинацией компонентов «сточная вода : барда : помет» – 0,3:1:5 соответственно.

60-72 105
Аннотация

Работа относится к области исследований термохимических процессов преобразования биомассы в энергию, в частности, созданию газогенераторных плит на биомассе для приготовления пищи. Благодаря высокой энергоэффективности и экологичности, газогенераторные плиты существенно превосходят традиционные печи прямого сжигания биомассы. Представлен теоретический анализ процессов газификации и горения топлива в плите (в данном случае обращенный микрогазификатор с открытым верхом). Газификация осуществляется в вертикальном микрогазификаторе плотного слоя топлива с зажиганием топлива сверху и подачей воздуха снизу. Термические процессы, протекающие в микрогазификаторе, можно разделить на три этапа: частичная газификация биотоплива, полная газификация полученного биоугля, прямое горение биоугля. Для экспериментальных исследований были созданы пилотные образцы ряда плит с объемом реактора 5,5–9,7 л и проведены их испытания на различных видах биотоплива (пеллеты из древесины хвойных пород, обрезки сосновых пиломатериалов, щепа из древесины лиственных пород, брикеты из соломы, шелуха подсолнечника, шелуха гречихи). В результате испытаний установлено, что КПД плит составляет около 30 %, что примерно в 3 раза больше, чем у традиционных печей прямого сжигания, предназначенных для приготовления пищи, а средняя тепловая мощность газогенераторных плит составила 0,71–1,78 кВт, что соответствует тепловой мощности бытовых плит на природном газе. Расход топлива и удельная интенсивность горения топлива определяются подачей воздуха. Для ориентировочных расчетов можно принять расход топлива 1 кг/час. Удельная интенсивность горения для исследованных видов топлива изменялась в диапазоне 27,5–60,6 кг/(м2 · час). Теплоизоляция корпуса плиты позволяет не только существенно сократить тепловые потери в окружающую среду, но и избежать ожогов при случайном прикосновении человека к плите. Плиты имеют следующие преимущества: экологичность; экономичность; мобильность. Потребителями плит могут быть жители негазифицированных районов, дачники, туристы. 

73-85 122
Аннотация

Процессы глобализации и устойчивого развития определяют необходимость совместного анализа технологических и природоохранных тенденций развития энергетики с учетом актуальных экономических и юридических положений. На основе проведенного обобщающего анализа современного состояния электроэнергетической системы страны в целом и гидроэнергетики в частности доказана важность системного подхода в определении ключевых задач формирования траектории дальнейшего развития электроэнергетической отрасли. Приведена специфика сегодняшней организационной и технологической структуры электроэнергетической системы, в том числе, правовые положения, регулирующие её деятельность. Отдельное внимание уделено рассмотрению рынка электроэнергии вследствие значительных законодательных изменений. Так, в сравнении с действующим рынком определены особенности нового либерализированного рынка электроэнергии, который вступит в силу в 2019 г., и выделены характерные для возобновляемой энергетики принципы. В частности, детализированы внесенные в Закон Украины «Об электроэнергетике» изменения в отношении механизма стимулирования развития возобновляемой энергетики и ответственности за небалансы электроэнергии производителей, для которых установлен зеленый тариф. Основное внимание уделено анализу состояния и потенциалу развития малой гидроэнергетики. Систематизированы экономические стимулы развития согласно действующему законодательству и приведен потенциал возможного роста малой гидроэнергетики, а именно, представлены значения технического потенциала гидроэнергетических ресурсов малых рек. Отмечен ряд барьеров и препятствующих факторов строительству малых ГЭС. Сформулированы природоохранные ограничения для строительства малых ГЭС на основании анализа разных ветвей национального законодательства, таких как Земельный кодекс, Водный кодекс, Закон «Про природно-заповедный фонд Украины» и т.д., а также действующих ратифицированных документов и других ключевых документов рекомендательного характера международного уровня. Дополнительно определены положения таможенного и налогового законодательства, касающиеся малой гидроэнергетики в плане предоставления стимулирующих факторов развития технологии. Рассмотрены современные успешно реализованные проекты малых ГЭС на территории страны.

86-95 93
Аннотация

Разработан экспресс-метод оценки потенциала гидроэнергетических ресурсов малых рек Украины с учетом требований действующей нормативно-правовой базы в природоохранной и энергетической сферах, что позволяет получить объективную информацию для разработки программ строительства малых гидроэлектростанций (ГЭС) на современном этапе развития альтернативной энергетики. Определены природоохранные ограничения малой гидроэнергетики, основанные на положениях действующей нормативно-правовой базы Украины, критериях экологической ценности территории и принципах сохранения разнообразия ихтиофауны рек. Ограничения на использование воды для производства электроэнергии малой ГЭС учитывают санитарный попуск, непрерывное функционирование рыбоходов, межень, наводнения и паводки, оперативные мероприятия по регулированию водного потока через гидросооружения, регулирование мощности ГЭС по водотоку, которое даёт возможность практически не искажать природный гидрологический режим и биологическое состояние русла реки ниже створа станции. Ограничения на использование территории для строительства малых ГЭС учитывают наличие национальных природных парков, заповедников, памятников природы, мест залежей полезных ископаемых и минеральных вод, историко-культурного наследия, земельных участков специального назначения. Введены ограничения на допустимый уклон участков рек с учетом природоохранных ограничений. Обосновано значение технического потенциала гидроэнергетических ресурсов малых рек Украины на уровне 1 270 млн. кВт∙час/год (около 375 МВт установленной мощности малых ГЭС) и его распределение по гидрологическим зонам территории страны. Установлено, что объем технически достижимого потенциала гидроэнергетических ресурсов, даже для основных полноводных малых рек Украины, находится в пределах 3–15 % их природного потенциала. Полученные результаты являются существенными для разработки современной концепции региональных программ развития малой гидроэнергетики и Энергетической стратегии, реализации мероприятий Национального плана действий по возобновляемой энергетике Украины.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ

96-117 81
Аннотация
Рассмотрена роль воды и водяного пара в процессах горения с целью сокращения выбросов оксидов азотаи углерода. Благодаря высоким значениям избыточной энтальпии пара и организации различных схем тепловой и термохимической утилизации энергии повысилось КПД использования топлива, в частности, в газовыхтурбинах и ДВС.Выполнен комплекс расчетно-теоретических исследований сокращения выбросов оксидов азота и углерода при сжигании газового топлива (природного газа) в зависимости от влажности атмосферного воздуха спомощью двух подходов: CFD-моделирования с привлечением DRM 19 механизма горения метана на 19 компонентов и механизма Боумена в качестве «постпроцессора» для определения концентрации [NO]; различныетермодинамические модели прогноза образования оксидов азота NO.Численные расчеты процессов переноса импульса, теплоты и массы, проведенные в единой системе суравнениями химической кинетики для реакций горения по механизму GRI, и расчет образования NO, выполненный как постпроцессор по механизму Боумена, позволили определить фактическое содержание [CO] и[NO] в зависимости от режимных условий горения и конструкции топочного устройства. При этом термодинамика равновесного состояния продуктов сгорания даёт возможность оценить только относительное изменение концентрации [NO], которое обусловлено влиянием на горение отклонений, вносимых исходными составами реагентов, параметрами состояния горючей (топливоокислительной) смеси и характеристиками процесса горения.Разработана методология CFD-моделирования и изложены результаты численного анализа влияния относительной влажности атмосферного воздуха в диапазоне φ = 0–100 % на концентрации [NO] и [СО] на выходе из топочной камеры. Установлено резкое, более чем на порядок сокращение выбросов NO и одновременно примерно двукратное снижение концентрации СО при сжигании метановоздушной смеси в условияхувлажнения воздуха горения до состояния насыщения при температуре 325 К.Выполнен комплекс экспериментальных исследований по влиянию увлажнения атмосферного воздуха наструктуру и экологические характеристики факела при сжигании природного газа в открытом факеле подготовленной смеси, а также предложена методология оценки образования оксидов азота в зависимости от влагосодержания горючей смеси. Результаты измерений использованы для верификации расчетных данных.Совпадение относительного изменения выхода NO (NOx) в результате увлажнения воздуха горения, полученное расчетным и опытным путем, подтвердило качественное и количественное соответствие предложенныхфизико-химических моделей и процедур CFD-анализа изучаемым процессам.

ИНФОРМАЦИЯ В ОБЛАСТИ АЭЭ



ISSN 1608-8298 (Print)