Прогрессивные технологии в обучении и производстве (стр. 13 )

Высокий рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведет к нарушению экологического баланса Земли.

Потенциал большинства возобновляемых видов энергии - гидроэнергия, механическая, тепловая, ветровая и геотермальная энергия – характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Суммарный потенциал возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии – Солнце. В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2. Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно «собрать» этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) при наименьших затратах на установку.

Возможности использования экологически чистой повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекает все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (энергия солнца, ветра, биомассы) должны занят заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды [1].

Приведенные выше соображения являются достаточно веским аргументом: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать эту энергию завтра. В последнее время в мире проведены широкие исследования в области солнечной энергетики, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным и найти широкое применение.

Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии.

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

-  прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);

-  фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.

Одним из направлений гелиоэнергетки является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей. В статье рассматривается устройство, позволяющее автоматически ориентировать гелиоустановку на солнце.

КПД солнечных батарей зависит от многих факторов, но решающим является ориентация ее элементов относительно источника излучения. Планируемая установка имеет две оси вращения – неподвижную и подвижную, первая из которых расположена параллельно земной поверхности. Вращением вокруг нее солнечную панель устанавливают в исходное положение, соответствующее географической широте и времени года. Производят это обычно раз в месяц, а то и раз в квартал.

Вокруг второй оси панель поворачивается в течение дня сама и благодаря оригинальной системе слежения всегда оказывается перпендикулярной падающему на землю солнечному потоку. Рассматриваемый гелиостат использует импульсное регулирование и без вмешательства извне способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности. Принципиальная схема гелиостата представлена на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема гелиостата

Он состоит из тактового генератора (DD1.1, DD1.2), двух интегрирующих цепей (VD1R2C2, VD2R3C3), двух формирователей (DD1.3, DD1.4), цифрового компаратора (DD2), двух инверторов (DD1.5, DD1.6) и транзисторного коммутатора (VT1-VT6) направления вращения электродвигателя М1, управляющего поворота платформы на которой установлена солнечная батарея.

С восходом солнца освещенность фотодиодов VD1 и VD2 окажется различной и электродвигатель начнет поворачивать солнечную батарею. По мере уменьшения разницы в длительностях импульсов, вырабатываемых формирователями, будет уменьшаться длительность результирующего импульса и скорость поворота солнечной батареи плавно замедлиться, чтобы обеспечить ее точное позиционирование. Таким образом, при импульсном управлении вращение вала электродвигателя можно передавать платформе солнечной батареей непосредственно, без применения редуктора.

В течение дня солнечная батарея будет поворачиваться вслед за движением Солнца. С наступлением сумерек длительности импульсов на входе цифрового компаратора окажутся одинаковыми и система перейдет в дежурный режим. Аккумуляторные батареи (АКБ) используются для накопления энергии, вырабатываемой гелиостатом, и питания электронного блока.

Описываемое устройство ориентирует гелиостат в горизонтальной плоскости. Если дополнить данную конструкцию блоком вертикального отклонения, по аналогичной схеме, предусматривается возможность полной автоматизации ориентирования гелиостата в обеих плоскостях.

Автономная система состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда – заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Структурная схема автономной системы представлена на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема управления гелиостатом

Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Во многих случаях необходимо, чтобы электроприборы и оборудование работали и при отсутствии солнечного света. Для этого следует накопить в аккумуляторной батарее (АКБ) электрическую энергию, вырабатываемую солнечными модулями в течение дня. Наиболее приемлемы для этой цели свинцово-кислотные и щелочные АКБ.

Для управления режимами заряда-разряда АКБ предназначен КОНТРОЛЛЕР зарядки-разрядки. Он отключает солнечные модули от АКБ при ее полной разрядке, предотвращая выкипание электролита, а также отключает нагрузку по достижении АКБ установленной глубины разряда.

Инвертор предназначен для преобразовния напряжения 12 В в переменное 220 В. КПД инвертора обычно составляет 90%.

При создании гелиостата рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминисцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.

Итак, фотоэнергетика может стать ведущим источником энергии мировой большой индустрии. В последнее время в мире проведены широкие исследования, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным. В результате создания новых технологий и повышения технического уровня продукции может быть преодолен барьер для внедрения фотоэлектрических систем, связанных с высокой их стоимостью и непостоянством солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли. Выход из данной ситуации ученые находят в постройке гибридных электростанций, работающих на альтернативной энергии и традиционном топливе. Хотя эти направления в энергетике пока находятся в стадии разработки, у них есть все шансы занять достойное место в энергетическом балансе страны.

Список литературы

1. Пугач и экология. Новосибирск.: НГТУ, 2003.

УДК 621.315.175

РАСПОЗНАВАНИЕ ВИДА ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДАХ
ПРИ МОНИТОРИНГЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

,

Саратовский государственный технический университет,
тел., *****@

Эксплуатируемые в настоящее время и предлагаемые разработчиками информационно-измерительные системы мониторинга гололедно-ветровых и температурных нагрузок на воздушные линии электропередачи (ВЛ) производят обнаружение и измерение так называемых статических гололедно-ветровых и температурных воздействий на провода (фазные провода и грозотросы), траверсы и опоры ВЛ и сравнивают их с соответствующими предельно допустимыми (пороговыми) значениями, выбираемыми исходя из механической прочности конструкций элементов ВЛ.

Как показывает опыт [1], случаи возникновения аварий на ВЛ нередко имеют место в условиях, когда измеренные статические нагрузки от отложений и ветра при температуре гололедообразования не превышают, а иногда и значительно ниже пороговых величин. В таких случаях предлагаемые системы мониторинга не способны предупреждать аварии на ВЛ. Причиной аварий при этом являются не статические, а динамические воздействия – пляска проводов, при которой значение момента суммарной нагрузки на элементы опор ВЛ может превышать исходную статическую гололедно-ветровую нагрузку в 2-3 и более раз.

Анализ динамических воздействий пляски проводов на элементы ВЛ показывает, что условиями возникновения динамических колебаний проводов ВЛ является одновременное совпадение (сочетание) наличия ветра определенной скорости и определенного направления относительно оси визирования линии, наличия гребневидной формы отложений определенной массы и с определенным распределением этих отложений по длине ВЛ [2]. Таким образом, распознавание гребневидной формы отложений совместно с обнаружением вышеописанных условий возникновения динамических колебаний проводов позволяет заблаговременно предпринимать соответствующие меры по предупреждению пляски проводов и ее аварийного воздействия, т. е проводить своевременную плавку отложений.

В чистом виде решить задачу распознавания формы отложений крайне сложно. Авторами предлагается определять форму отложений по их виду: гололедные, снеговые, изморозевые или их смеси. Следовательно, одной из важнейших задач мониторинга воздушных линий электропередачи является задача дистанционного непрерывного в реальном масштабе времени распознавания всех возможных видов отложений на проводе воздушной линии электропередачи, решение которой также позволяет получать более полную информацию о текущих гололедно-ветровых нагрузках на ВЛ и динамике их изменения.

Следует отметить, что до настоящего времени, независимо от применяемых способов и устройств, при распознавании вида отложений задача распознавания гребневидной формы отложений, как одного из условий возникновения пляски проводов ВЛ, не ставилась.

При исследованиях [3] установлено, что различные виды отложений имеют место при различных, свойственных только им условиях. Изморозь – имеет низкую плотность (0,1-0,3 г/мм3), и как правило цилиндрическую форму, образуется при температуре -4˚С и ниже. Отложения из мокрого снега, имеющие плотность 0,3-0,6 г/мм3, образуются при температуре от +2 до 0˚С, имеют нецилиндрическую близкую к гребневидной форму. Изморозь и мокрый снег, как правило, имеют форму с аэродинамическими свойствами, не способствующими возникновению пляски, и нередко обсыпаются с проводов при возрастании ветрового потока и изгибах провода, что приводит к неравномерному распределению отложений по длине линии, препятствующему развитию колебаний. Гребневидные отложения образуются на проводах при температуре провода от 0˚С до -3˚С и состоят либо из смеси гололеда и мокрого снега с удельной плотностью 0,4-0,6 г/мм3, либо из плотного прозрачного или матового гололеда с удельной плотностью 0,7-0,9 г/мм3. Гололедные отложения с высокой удельной плотностью при прочих равных условиях имеют большую массу и, следовательно, оказывают на провода ВЛ большие статические нагрузки, при которых подъемной силы ветра недостаточно для развития динамических колебаний провода, и поэтому вероятность возникновения пляски проводов при отложениях в виде гололеда без смеси минимальна. Таким образом, следует считать, что наиболее вероятно возникновение пляски при гололедно-снеговых отложениях с удельной плотностью 0,4-0,6 г/мм3.

Итак, распознавание вида отложений можно производить косвенно по температуре окружающей среды и удельной плотности отложений, определяемой как отношение массы отложений к их объему. При этом, масса отложений может быть измерена непосредственно на проводе, объем отложений рассчитывается исходя из разности между ветровой нагрузкой на провод с отложениями и ветровой нагрузкой на провод без отложений.

Авторами предлагается способ распознавания вида отложений на проводе промежуточного ВЛ [4], заключающийся в том, что на траверсе опоры рядом с проводом одновременно измеряют скорость и относительное направление ветра, а на самом проводе измеряют весовую нагрузку от отложений (массу отложений) и ветровую нагрузку на провод с отложениями, по скорости и относительному направлению ветра рассчитывают ветровую нагрузку на провод без отложений, по разнице между ветровой нагрузкой на провод с отложениями и ветровой нагрузкой на провод без отложений вычисляют объем отложений на проводе, по объему отложений и весовой нагрузке отложений вычисляют удельную плотность отложений находящихся на проводе, которую вычитают из известных удельных плотностей всех распознаваемых видов отложений на проводе и принимают решение о наличии на проводе отложений того вида, для которого разница минимальна.

Устройство распознавания вида отложений на проводе промежуточного пролета ВЛ, реализующее предлагаемый способ, и представленное на рис.1, содержит устройство телепередачи, две гирлянды изоляторов и два силоизмерительных датчика (ДТ), каждый из которых подвешен подвижно между траверсой опоры и соответствующей гирляндой изоляторов, нижние концы обеих гирлянд изоляторов соединены между собой шарнирно, образуя V-образную подвеску, к которой прикреплен провод, верхние концы датчиков крепятся к траверсе опоры на расстоянии друг от друга равном длине гирлянды изоляторов с датчиком, образуя с V-образной подвеской равносторонний треугольник, измеритель относительного направления ветра (ин), измеритель скорости ветра (ис), пять функциональных преобразователей (ФП), делитель (Делит), два формирователя порогов, m+1 сумматоров (Сумм), два компаратора (Комп), логический элемент «И» и сравнивающее устройство (Срав).

Рис.1. Устройство распознавания вида отложений

В представленном устройстве одновременно и в согласованном взаимодействии работают 2 канала измерения: канал измерения фактических весовой нагрузки отложений на проводе и ветровой нагрузки на провод с отложениями с использованием V-образной подвески, и канал измерения ветровой нагрузки на провод без отложений с использованием индикаторов направления и скорости ветра. На основе информации, полученной обоими каналами, рассчитывается вес и объем отложений на проводе промежуточного пролета, по которым рассчитывается удельный вес отложений на проводе промежуточного пролета. Полученное значение удельного веса отложений на проводе промежуточного пролета вычитается из известных удельных плотностей всех распознаваемых видов отложений на проводе и вырабатывается решение о наличии на проводе отложений того вида, для которого разница минимальна. Это решение выдается в виде сигнала «Вид отложений» при наличии сигнала разрешения – «Распознавание».

Если на проводах отложений нет, или нет ветра, или одновременно нет отложений и нет ветра, то соответственно первый или второй компараторы, или соответственно оба вместе сформируют логический «нуль», который как отказ распознавания исключит прохождение логических «1» через все логические элементы «И» на всех выходах сравнивающего устройства.

Таким образом, дистанционное в реальном масштабе времени распознавание гребневидной формы гололедных и гололедно-снеговых отложений совместно с обнаружением остальных условий возникновения динамических колебаний проводов (грозотросов) ВЛ позволяет заблаговременно принимать соответствующие меры по предупреждению пляски проводов и ее аварийного воздействия на линии, т. е. своевременно проводить плавку отложений. Кроме того, распознавание всех возможных видов отложений (гололедных, снеговых, изморозевых и их смесей) дает возможность получать более полную информацию о текущих нагрузках на провода ВЛ и динамике их изменения.

Представленное авторами устройство, реализующее разработанный способ распознавания вида отложений на проводах ВЛ, позволяет при наличии ветровой нагрузки проводить автоматическое распознавание отложений любого вида.

Список литературы

1. Байрамгулов сельских воздушных линий 6 – 10 кВ, подверженных динамическим нагрузкам: Дис. докт. техн. наук: 05.20.02 / . Башкир. ордена труд. крас. знам. ун-т. – СПб., 1993. – 281с.

2. Кузнецов динамических воздействий пляски проводов и грозотросов на конструктивные элементы промежуточных пролетов воздушных линий электропередачи 110, 500 кВ / П. А Кузнецов, , // Электронный журнал "Новое в российской электроэнергетике" – 2006. – №2. – С.29-36.

3. Кузнецов формы отложений на проводе воздушной линии электропередачи на его состояние в ветровом потоке / , // Проблемы электроэнергетики: Межвуз. науч. сб./ Саратов. гос. техн. ун-т. – Саратов: СГТУ, 2006. – С. 50-55.

4. Способ распознавания вида отложений на проводе промежуточного пролета воздушной линии электропередачи и устройство для его осуществления. Заявка на патент РФ на изобретение № /17(023106) от 01.01.2001г.

УДК 620.92

Л 33

Освещение актуальных проблем энергетики

на примере семинара, проходившего 27.09.2006

на кафедре «Электроснабжение

промышленных предприятий»

Камышинский технологический институт (филиал) ВолгГТУ

(84457)9-54-29

Научный семинар – это всегда обмен новыми идеями, достижениями, отчет о проделанном и взгляд на перспективу в научных разработках.

В сентябре на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) проходил семинар на тему «Организация студенческих НИРС по тематике возобновляемых источников энергии». Был рассмотрен целый ряд актуальных вопросов. Опыт строительства и эксплуатации солнечных, ветровых электростанций. Особо экономичные интеллектуальные осветительные приборы на базе НВИЭ. Солнечный электротранспорт. Создание комплексных студенческих научно-исследовательских групп (НИГ).

Для студентов было в новинку, что солнечная электростанция может вырабатывать электричество и ночью и в дождливую погоду. Это происходит за счет того, что солнечная энергия накапливается в тепловом аккумуляторе в виде разогретого до 250о С пара. Например, cолнечная электростанция СЭС-5 в ночное время освещает город в и вырабатывает порядка 1,5 МВт´часов электрической энергии.

Эффективность солнечных электростанций оценили не только в нашей стране, но и за рубежом, например, в США работают 7 солнечных электростанций, некоторые их них построены еще в восьмидесятые годы, они рентабельны и это доказано временем.

В процессе работы над использованием энергии возобновляемых источников энергии было начато строительство Донузславской ВЭС, проектной мощностью 400 МВт (сейчас построено 20 МВт) и Черноморской ВЭС 100МВт.

Высокая экономическая эффективность ветроэлектростанций (отпускная цена электроэнергии с ВЭС на 20% ниже чем у ТЭС такой же мощности) достигается тем, что сооружение ветровых электростанций идет по «москитной» технологии, т. е. первые три ветроагрегата сразу включаются в сеть и осуществляют генерацию электроэнергии, а последующие ветротурбины только пристраиваются. Таким образом капитал не замораживается на 2-3 года, как на ТЭС или 5-6 лет как на АЭС, а начинает работать уже через 6 месяцев после первого забитого колышка на стройплощадке.

В нашей местности актуально использование солнечной и ветровой электроэнергии, ветра и солнца у нас достаточно. В 2004 году инициативной группой камышан был представлен в тогда еще существовавшем технико-эконогмический доклад о строительстве на Берегу Волги Камышинской ВЭС установленной мощностью 30 МВт, на базе ветротурбин Радуга 1 конструкции ГМКБ «Радуга».

В докладе были подняты темы для разработки студенческими НИРС: электромопед на солнечной батарее, создание электрической лампочки, которая подзаряжалась бы от солнечного света и ветра, такие лампочки были бы незаменимы при освещении улиц в ночное время.

Тарифы на электроэнергию и энергоносители непрерывно возрастают, поэтому актуальность нетрадиционных направлений в решении вопросов электроснабжения стоит очень остро. Подключение молодых, нестандартно мыслящих молодых людей к решению вопросов альтернативной электроэнергетики необходимо, а семинары дают толчок развития научной мысли у студентов и подталкивают молодых людей к занятию наукой.

На семинаре был сделан вывод: использование возобновляемых источников энергии, в качестве дополнения к традиционным источниками энергии, будет давать значительный экономический эффект уже сейчас.

УДК 620.92

Л 33

Перспективы развития
нетрадиционных источников электроэнергии

Камышинский технологический институт (филиал) ВолгГТУ

(84457)9-54-29

В настоящее время постоянно возрастает потребность в электроэнергии, поэтому использование нетрадиционных источников энергии в качестве дополнения к существующим источникам электроэнергии уже сейчас принесло бы экономическую пользу.

В нашей местности актуально использование солнечной и ветровой электроэнергии, ветра и солнца у нас достаточно. В 2004 году инициативной группой камышан был представлен в тогда еще существовавшем технико-эконогмический доклад о строительстве на Берегу Волги Камышинской ВЭС установленной мощностью 30 МВт, на базе ветротурбин Радуга 1 конструкции ГМКБ «Радуга» г. Дубки, Московской обл. (рис. 1).

Рис.1 Ветротурбина Радуга-1 мощностью 1 МВт для Камышинской площадки проектной мощностью 30 МВт

Проектная себестоимость электроэнергии Камышинской ВЭС составила 47,8 коп/кВт«ч (отпускной тариф 1 руб. 30 коп.).

Приведем сравнительный сценарий развития Камышинской ТЭЦ и Ветроцеха ВЦ-30 на период годов (в рублях) в таблице 1:

Таблица 1. Сравнительный сценарий развития Камышинской ТЭЦ и Ветроцеха ВЦ-30 на период годов (в рублях).

Показатель	2004г.	2010г.	2020г.
Цена на топливо, газ за 1000 м. куб.	1080	2190	4062
Себестоимость выработки электроэнергии с топливной составляющей на 1 кВт/час.	0,408	0,792	1,604
Себестоимость выработки электроэнергии ветро-цехом на 1 кВт/час.	0,478	0,595	0,865

Использование солнечной энергии тоже перспективно, приведем динамику изменения себестоимости кВт´часа для солнечной электростанции СЭС-5 в таблице 2.

Таблица 2. Динамика изменения себестоимости кВт´часа выработанного СЭС-5

Год эксплуатации	Годовые затраты, тыс. руб.	Годовая энерговыработка, тыс. кВт ´час	Себестоимость, кВт´часа, руб.
1985	5120	0,080	64000
1986	5002	5,28	947,34
1987	5637	14,60	386,09
1988	5328	126,85	42,00
1989	5091	490,08	10,38
1990	351	780,0	4,68
1995-проект	2688	5600	0,48

Как видно из цифр, тенденция развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии будет давать значительный экономический эффект уже сейчас, а в перспективе этот эффект будет только возрастать.

УДК 621.315.1

П 16

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПЛЯСКИ ПРОВОДОВ

И ГРОЗОТРОСОВ НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРОЛЕТОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 110 кВ

, ,

Камышинский технологический институт (филиал) ВолгГТУ

Применяемые в настоящее время методики механического расчета элементов промежуточного пролета воздушной линии электропередачи (ВЛ) не учитывают пляску проводов и грозотросов, что влечет за собой снижение устойчивости линий при эксплуатации в условиях динамического воздействия на них пляски. Кроме того, ни одна из систем мониторинга ВЛ не обнаруживает появление пляски проводов и не измеряет ее параметры.

Используя подходы к модели механического воздействия гололедно-ветровых нагрузок на элементы ВЛ, изложенные в [1], проведем качественный анализ возможных результатов динамического воздействия пляски проводов и грозотросов на траверсы и тело опоры наиболее распространенных типовых конструкций ВЛ-110. Под результатом динамического воздействия будем понимать определение для конкретного мгновенного распределения сил (моментов сил) продольных тяжений проводов и грозотросов на конструктивных элементах опор и определение соответствующих реакций этих элементов с целью выделения среди них элементов, испытывающих максимальные нагрузки и поэтому с наибольшей вероятностью подвергающихся разрушениям.

Для выявления основных закономерностей сделаем упрощающие допущения, позволяющие исключить влияние факторов, затрудняющих выделение влияния вида распределения сил воздействия на его результат. Будем считать, что динамические составляющие всех возможных сил Fi и Fj воздействий соответственно i-го фазного провода и j-гo грозотроса равны между собой и равны некоторой нормированной единице Fi = Fj = 1. Каждая сила Fi и Fj является мгновенным значением разности двух противоположно направленных сил, действующих через подвеску на траверсу (тросостойку) от левого и правого полупролетов провода (грозотроса) линии по направлению оси визирования ВЛ.