Разработка научных основ проектирования систем автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии с учетом климатических условий регионов России и развитие геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии РоссииНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 9 апреля 2013 г.-24 декабря 2013 г. Разработка научных основ проектирования систем автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии с учетом климатических условий регионов России и развитие геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии России
Результаты этапа: 1. В ходе выполнения проекта были разработаны несколько вариантов методики расчета оптимального состава автономной фотоэлектрической установки. Исходными климатическими данными для расчетов служили данные ГИС «Возобновляемые источники энергии России», паспортные технические данные ключевых компонентов энергоустановки, а также графики нагрузки потребителя. Наиболее оптимальная методика была использована для предварительных расчетов (прогноза выработки энергии экспериментальной автономной солнечной энергоустановки) и сравнительных оценок на основе полученных практических результатов. Методика была реализована в виде дополняющего ГИС «Возобновляемые источники энергии России» программного продукта. Расчетные алгоритмы реализованы на языке C# (C sharp) в среде разработки Visual C#. Проведенные на основе предложенной методики и климатических данных расчеты дали прогнозные оценки выработки энергии экспериментальной автономной установкой в различные сезоны года в климатических условиях Москвы. 2. Для верификации разработанных методик была создана и испытана в течение декабря 2012 – октября 2013 г. экспериментальная автономная энергоустановка, включающая в себя фотоэлектрические модули, аккумуляторные батареи, средства управления и сбора данных, позволяющие контролировать метеорологическую обстановку, управлять распределением энергетических потоков внутри системы. В результате был накоплен значительный массив характеристик работы элементов системы (временной ход напряжения фотоэлектрических батарей, аккумуляторных батарей, напряжения с выхода системы, токов фотоэлектрических преобразователей, аккумуляторных батарей и нагрузки). Проводилось также непрерывное измерение падающей солнечной радиации, что в целом позволяет определить динамику энергетического баланса системы в целом, а также характеризовать работу отдельных ее элементов. Для обработки результатов измерений использовались программного обеспечения PowerGraph v.3.0, а также собственное, разработанное на этапе проекта, ПО. Выявлены проблемы и пути оптимизации системы для дальнейшего мониторинга работы автономной системы в реальных условиях эксплуатации. 3. Проведен всесторонний анализ прихода солнечной радиации, сопоставление экспериментальных результатов с актинометрическими данными метеообсерватории МГУ и данными NASA SSE о среднемесячных суммах суммарной солнечной радиации. Показано, что существуют значимые отклонения данных NASA от наземных измерений; поэтому для оправданных прогнозов выработки энергии автономными системами следует использовать среднемноголетние радиационные данные и при этом рассчитывать возможный максимальный разброс выработки энергии, опираясь на среднемноголетние значения дисперсии случайной величины «суммы суммарной солнечной радиации». Для обеспечения расчетов по предложенной методике была разработана база данных технических характеристик компонентов, которые могут входить в состав автономных солнечных энрегоустановок. 4. При проектировании объектов на ВИЭ большое значение имеет определение на региональном уровне тех территорий, на которых размещение объектов возобновляемой энергетики востребовано и возможно с учетом ресурсного потенциала и социально-экономических факторов (как способствующих, так и ограничивающих размещение и эксплуатацию объектов ВЭ). На этапе проекта были выявлены социально-экономические факторы, влияющие на размещение объектов энергоснабжения на базе ВИЭ с региональным охватом. Составлен перечень и определено содержание базы данных указанных факторов. Выбран регион исследований (Волгоградская, Ростовская области, Республика Калмыкия), для которого собраны массивы данных по указанным факторам. Разработана и интегрирована в ГИС «Возобновляемые источники энергии России» региональная база данных по ресурсам солнечной и ветровой энергии; база данных по действующим и проектируемым объектам на ВИЭ. Для выбранного региона разработаны средства картографической визуализации указанных факторов.
2 1 января 2014 г.-24 декабря 2014 г. Разработка научных основ проектирования систем автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии с учетом климатических условий регионов России и развитие геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии России
Результаты этапа: 1. Проведена оценка погрешностей инженерной методики расчета состава автономной солнечной энергоустановки на основе расчетных и экспериментальных данных. Выявлены два основных источника погрешностей – расхождение между исходными климатическими данными (реальные метеонаблюдения и многолетние усредненные спутниковые метеоданные NASA) и отсутствие учета температурных зависимостей рабочих параметров фотоэлектрических модулей, причем первый источник превалирует. 2. Проведены испытания ряда литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов на режимах, соответствующих как номинальным параметрам заряда и разряда, так и характерных для солнечных энергоустановок. Определены диапазоны напряжений, соответствующих допустимой глубине разряда для различных электрохимических систем. На примере свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов подтверждена зависимость доступной энергоемкости системы от величины разрядного тока. Экспериментально подтверждена необходимость балансировки элементов на свинцово-кислотных аккумуляторных батареях и изменения значения уставки защитного отключения аккумулятора по низкому напряжению при работе на малых токах. 3. Проведены исследования работы литий-ионной аккумуляторной батареи в реальной солнечной энергоустановке. Определен энергетический баланс установки для разных метеоусловий, оценены потери при пассивной балансировке элементов в батарее. 4. В 2014 году, в соответствии с заявленным планом исследований по гранту, были выполнены работы по созданию концептуальной модели проблемно ориентированной (ВИЭ) базы пространственных данных регионального уровня для обеспечения анализа и картографирования территории. Во-первых определена роль базы данных в структуре разрабатываемой геоинформационной системы. Во-вторых, выявлен круг информации, необходимой для включения в базу данных. Третье направление заключалось в систематизации исходной информации. В результате разработан подход к разработке структуры и содержания базы данных, основанный на ключевых связях в системе «объект возобновляемой энергетики — окружающая среда». Это позволило уточнить описание предметной области для создаваемой базы данных, а также заложить фундамент для разработки логической модели базы данных, и ее физической реализации, что будет выполнено на следующем этапе. 5. В 2014 году начат сбор данных в соответствии с разработанной моделью проблемно-ориентированной базы данных по ВИЭ для выбранной в качестве «пилотной» территории Волгоградской области РФ и физическое наполнение базы данных. Была разработана и создана серия карт социально-экономических факторов, определяющих развитие возобновляемой энергетики на территории региона и влияющих на размещение энергообъектов.
3 1 января 2015 г.-24 декабря 2015 г. Разработка научных основ проектирования систем автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии с учетом климатических условий регионов России и развитие геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии России
Результаты этапа: 1. На заключительном этапе проекта была модернизирована математическая модель работы автономной солнечной энергетической установки – аналога экспериментальной системы ФИАЛ-1. При этом в алгоритм была введена процедура расчета среднемесячной температуры фотоэлектрического модуля на основе осредненных климатических данных, рабочей температуры модуля и коэффициента температурного дрейфа. По известной среднемесячной температуре модуля для каждого месяца рассчитывался КПД ФЭМ, величина которого определяет прогноз производительности фотоэлектрической автономной системы в целом. При модернизации модели было также учтено снижение КПД контроллера заряда при низких значениях падающей солнечной радиации, выявленное в процессе экспериментальной эксплуатации автономной фотоэлектрической установки. На основе анализа экспериментальных данных для условий г.Москвы были определены предельные минимальные значения инсоляции, при которых осуществлялось включение контроллера. Эти значения включены в качестве граничных условий в разработанную математическую модель работы автономной ФЭУ. 2. На базе расчетных модулей Excel был реализован модернизированный алгоритм математической модели. Проведены расчеты прогнозной производительности аналога экспериментальной фотоэлектрической автономной станции ФИАЛ-1 на основе часовых климатических и актинометрических данных за 2014 г. При этом в качестве данных о падающей солнечной радиации и температуре воздух были использованы результаты моделирования типичного метеогода средствами TRNSYS (модульной программы моделирования большого спектра энергоустановок на ВИЭ) и актуальные почасовые измерения радиации в плоскости модуля при эксплуатации автономной фотоэлектрической установки. Проведена оценка среднего отклонения суточной производительности в каждый месяц года по двум массивам исходных данных. 3. Проведен комплексный анализ типовых потребителей энергии от автономных энергоустановок с накопителями и особенностей режимов нагрузки для некоторых регионов, в которых применение систем на возобновляемых источниках энергии может быть наиболее актуальным (Арктическая зона РФ, Прибайкалье, Алтайский край, Северный Кавказ, Приморье). Установлены диапазоны мощностей типовых потребителей. Получены данные по энергопотреблению светосигнальных и осветительных устройств, используемых в навигационных целях. Проанализированы графики нагрузки нескольких жилых поселков на севере России. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования автономных фотоэлектрических установок и обоснования их режимов работы. 4. На основе опыта эксплуатации автономной солнечной энергоустановки ФИАЛ – 1, и анализа работы блока аккумуляторных батарей (АКБ) на предыдущих этапах выполнения проекта была поставлена задача введения в ее состав системы балансировки аккумуляторов. При обосновании актуальности использования систем балансировки были учтены технико-экономические характеристики работы автономных солнечных энергоустановок, а именно, высокая стоимость фотоэлектрических модулей, износ аккумулирующих систем. Ввиду разнообразия вариантов реализации балансира пассивного и активного типов был проведен анализ основных технических характеристик и стоимости систем балансировки, представленных в настоящее время на рынке. В соответствии с конфигурацией действующей экспериментальной установки была доказана целесообразность использования активной балансировки компании «МЕГАРОН». 5. На основе разработанных на этапе 2014 г. подхода и концептуальной модели ГИС «ВИЭ России», была создана логическая модель проблемно ориентированной базы пространственных данных. На этом этапе обозначены наиболее важные показатели для объектов возобновляемой энергетики и окружающей среды, определена структура атрибутивных таблиц, а также выбраны базовые типы пространственных данных для всего содержимого базы геоданных. Заключительный этап состоял в физическом создании базы данных в среде ArcGIS 10.3 и ее тестовом наполнении для Волгоградской области. Помимо создания базы пространственных данных как основы проблемно-ориентированной геоинформационной системы, выполнена разработка моделей пространственного анализа территории для выбора оптимального размещения объектов возобновляемой энергетики. Эти модели созданы в среде Model Builder (ArcGIS 10.3) и представлены как в виде алгоритмов, так и в виде скриптов на языке Python, которые интегрируются в состав настольной версии геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии России». Скрипты ориентированы на использование информации из созданной базы данных и решают задачи подбора наиболее удачных участков для размещения объектов возобновляемой энергетики, исходя из комплекса природных, социально-экономических, экологических факторов. Они могут быть использованы на прединвестиционной и предпроектной стадиях жизненного цикла объекта генерации электроэнергии на основе возобновляемых источников.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".