|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Теоретические и экспериментальные исследования работы ветроэнергетических установок совместно с современными типами накопителей электрической энергии в переходных режимах (РФФИ)НИР
Theoretical and experimental studies of wind power plants, which work together with the modern types of storage of electrical energy under transient conditions
- Руководитель НИР: Киселева С.В.
- Участники НИР: Габдерахманова Т.С., Игнатьев С.Г., Тарасенко А.Б., Тебуев В.В., Шакун В.П.
- Подразделение: Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии
- Срок исполнения: 1 января 2016 г. - 31 декабря 2018 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-08-01233\16
- Номер ЦИТИС: АААА-А16-116021510185-1
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Изменения природной среды, общества и проблемы природопользования
- ПН России: Рациональное природопользование
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 44.39.29 Ветроэнергетические установки и станции
- 44.09.37 Прочие виды энергоресурсов
- 87.35.91 Региональные аспекты комплексного использования природных ресурсов
-
Ключевые слова:
качество электрической энергии, имитационное моделирование, аккумулятор, суперконденсатор, ветроустановка
battery, power quality, supercapacitor, mathematical modeling, wind turbine -
Описание:
Целью предлагаемого проекта является разработка подходов к обоснованию оптимальных параметров накопителя электрической энергии для компенсации переходных режимов в ветроэнергетических установках. Для достижения поставленной цели предполагается решение ряда научных задач, среди которых: - проведение математического моделирования ветроэнергетической установки, работающей совместно с накопителем электрической энергии и нагрузкой; - разработка концепции и создание имитационной физической модели гибридной энергосистемы, включающей в себя ветроэнергетическую установку, накопитель энергии (электрохимические аккумуляторы и суперконденсаторы) и нагрузку; - экспериментальное исследование имитационной физической модели ВЭУ с использованием серии типовых зависимостей скорости ветра от времени; - анализ и обобщение результатов математического и физического моделирования; разработка рекомендаций по выбору оптимальных типов накопителей для автономных ВЭУ, а также для сетевых ВЭУ в целях повышения качества электроэнергии. Для формирования типовых временных зависимостей скорости ветра будут использованы данные ветромониторинга, проведенного на территории РФ. Для математического и имитационного физического моделирования на основе реальных данных будут также разработаны графики нагрузки типовые потребителей электроэнергии. Исследования различных типов накопителей, в том числе гибридных систем накопителей различного типа совместно с ветроэнергетической установкой является в настоящее время актуальными. Причем, разработка и использование имитационной физической модели системы (ВЭУ-накопители электрической энергии-нагрузка) с возможностью подачи на вход модели типовых временных последовательностей скорости ветра потенциально обеспечивает такое количество экспериментальных данных, которые позволяют прийти к достаточно общим выводам и разработать рекомендации, в частности, по выбору оптимальных типов накопителей для ветровых энергоустановок в различных условиях их эксплуатации
-
Abstract:
The aim of the proposed project is to develop approaches to the substantiation of the optimal parameters of electric energy storage to compensate for transients in wind power plants. To achieve this goal is supposed to address a number of scientific problems, including: - Carrying out mathematical modeling of the wind power plant, working in conjunction with the storage of electrical energy and load; - Concept development and simulation of the physical model of the hybrid power system, including the wind power plant, energy storage (batteries and electrochemical supercapacitors) and load; - Experimental study of the simulation of the physical model turbines by using a series of typical dependency of wind speed from time to time; - Analysis and generalization of the results of mathematical and physical modeling; development of recommendations for the selection of the optimal type of drives for standalone wind turbines, as well as for the network of wind turbines in order to improve power quality.
-
Планируемые результаты:
Научные результаты проекта в целом: - Математическая модель ветроэнергетической установки, работающей совместно с накопителем электрической энергии и нагрузкой (потребителем) - Имитационная физическая модель ветроэнергетической установки, работающей совместно с накопителем электрической энергии и нагрузкой (потребителем) - Методика обоснования оптимального состава и основных параметров (энергоемкость, напряжение) накопителя электрической энергии - Рекомендации по выбору оптимальных типов накопителей для ветровых энергоустановок и различных условий их эксплуатации. - Рекомендации по возможностям увеличения доли замещения дизельного топлива энергией ветра в ветродизельных комплексах за счет применения суперконденсаторов. - Рекомендации по использованию накопителей в сетевых ветроэнергетических установках для повышения качества вырабатываемой электрической энергии.
-
Научный задел:
Коллектив заявителей имеет солидный опыт работы в области теоретической ветроэнергетики (Игнатьев С.Г., Киселева С.В.). В частности, разработаны и всесторонне обоснованы новые подходы в определении ветроэнергетического потенциала, исследовано влияние на расчетные энергетические характеристики ветра режима измерений и методов обработки исходных данных. Также проведено исследование влияния непредставительности данных измерений на результаты расчетов средней скорости и энергии воздушной струи как в виде интерполирующего полигона, так и в вероятностной форме. Предложена – на основе обобщения значительного эмпирического материала по о. Сахалину – авторская каноническая функция плотности вероятности скорости ветра, которую можно рассматривать как новый инструмент для достоверной оценки ветроэнергетического потенциала местности и определения параметров ВЭУ. Разработки были поддержаны грантами РФФИ №№ 10-08-00829, 12-08-01076. Полученные в ходе выполнения проектов результаты полностью оригинальны и обладают признаками новизны (в России и за рубежом). Кроме того, заявители в течение длительного времени продуктивно занимаются проблемами проектирования и экспериментальным исследованием работы автономных и сетевых установок на ВИЭ, в том числе гибридных установок с различными видами накопителей. Разработаны авторские инженерные методики проектирования (конфигураторы) установок с использованием солнечной и ветровой энергии; проведены оценки производительности автономных и сетевых установок с различными видами основного оборудования, накопителей, инверторов и контроллеров заряда АКБ в различных климатических условиях России. Коллектив обладает уникальным для условий России опытом многолетнего мониторинга работы экспериментальных действующих установок солнечной энергетики с различными видами накопителей. Разработки были поддержаны грантами РФФИ № 11-08-01090, 13-08-01186 и др.
- Добавил в систему: Киселева Софья Валентиновна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Теоретические и экспериментальные исследования работы ветроэнергетических установок совместно с современными типами накопителей электрической энергии в переходных режимах |
| Результаты этапа: На 1 этапе выполнения проекта был проведен детальный анализ отечественных и зарубежных разработок в тематической области проекта и подготовлен аналитический раздел отчета. Показано, что суперконденсаторы представляют собой перспективный источник тока, имеющий существенные преимущества перед аккумуляторами по рабочим токам и ресурсным параметрам. В этой связи их использование в ряде ниш, таких как ветроэнергетика (резервирование мощности на случай флуктуаций ветра, поддержка электропитания потребителей при переходных процессах в гибридных установках) и малая распределенная энергетика (буферный накопитель газовых микротурбинных установок) является технически оправданным. Разработаны математические модели аэродинамических характеристик ветроколеса – коэффициента преобразования энергии ветра (Кси(Z)) и коэффициент момента (mx(Z)) в зависимости от быстроходности ветроколеса Z. При различных режимах работы ВЭУ ( а) угловая скорость вращения ВК постоянна (wвк = const) и б) быстроходность ветроколеса постоянна и равна расчетной быстроходности (Z=const)) обоснованы математические выражения для момента и развиваемой мощности ветроколеса. На примере 1-секундных последовательностей скорости ветра V(t) проведены расчеты и представлены результаты моделирования момента и мощности ВК для двух указанных выше режимов работы В качестве основы для математической модели накопителей электрической энергии различных типов была использована упрощенная модель Шепарда. Представлены уравнения для вольт-амперной характеристики накопителей, описаны алгоритмы расчета и экспериментального определения входящих в них величин (внутреннего сопротивления батареи, кпд согласующих преобразователей (инверторов) и др.). Для апробации математических и физических моделей системы ВЭУ - накопитель-потребитель с различными видами накопителей (в том числе, гибридными) был проведен сбор, обработка и анализ данных о почасовом потреблении энергии в населенных пунктах Арктической зоны Российской Федерации, находящихся на побережье морей Северного Ледовитого океана и в Камчатском крае, где потенциал ветровой энергии – среди всех регионов, входящих в децентрализованную зону энергоснабжения РФ, – наиболее высок. Среди таких потребителей в указанных регионах были выделены два режима потребления электрической энергии, получены типовые нормированные графики нагрузки На 1 этапе проекта был проведен также сбор доступных результатов ветромониторингов. Источниками данных являлись: 1) ветромониторинг, проведенный в период 20.03.2010 – 31.12.2010 со скважностью ?t=1 с на территории Дании; 2) ветромониторинг, 01.07.2013 – 22.12.2013, ?t=1 с ,Германия; данные предоставлены в рамках научного сотрудничества; 3. ветромониторинг, 01.12.2007 г. – 11.03.08, Краснодарский край РФ; 4) ветромониторинг, 1998-2010 г. ,Республика Казахстан , открытые данные. Проведенный первичный анализ данных показывает, что имеющиеся массивы позволяют провести физическое моделирование работы ветрогенератора в принципиально различных ветровых условиях, а именно: 1) характерная частота изменений скорости ветра (1 с – 600 с); 2) характерные значения скорости ветра (4 м/с – 8 м/с); 3) диапазоны изменения скорости ветра (?V1=2 м/с; ?V2=10?16 м/с). На основе ветромониторингов были подготовлены типовые временные последовательности скоростей ветра с дифференциацией по сезонам года, которые отражают характерные вариации ветрового режима. Были проведены экспериментальные исследования суперконденсаторов (СК) и электрохимических накопителей (литий-ионных аккумуляторов) в режиме заряда-разряда. Получены значения емкости, кпд, внутреннего сопротивления аккумуляторов при различных токах заряда-разряда, скорости саморазряда СК при различных температурах окружающей среды. Выявленные экспериментально характеристики аккумуляторов и суперконденсатора будут использованы при численной реализации математической модели системы ВЭУ-накопитель-потребитель, а также при экспериментальных испытаниях физической модели. | ||
| 2 | 15 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Теоретические и экспериментальные исследования работы ветроэнергетических установок совместно с современными типами накопителей электрической энергии в переходных режимах |
| Результаты этапа: Разработана имитационная модель ветроэнергетической установки, работающей совместно с потребителем и накопителем электрической энергии. В качестве накопителя энергии был использован гибридный накопитель в составе: суперконденсатор и батарея свинцово-кислотных аккумуляторов. Модель была реализована в виде физической модели, позволяющей имитировать переходные процессы на ветроэнергоустановке, а именно, колебания энергии, произведенной генератором в связи с резкими изменениями скорости ветра, и перетоки энергии между накопителями и потребителями. Созданы алгоритмы и проведено моделирование работы ветроэнергетической установки совместно с потребителем и накопителем электрической энергии на уровне инженерной методики. В результате разработаны подходы к обоснованию оптимального состава и основных параметров (энергоемкость, напряжение) накопителя электрической энергии в составе ветроэнергетической установки. В качестве результатов работы на 2 этапе проекта выступают: 1) Принципиальная схема имитационной модели ветроэнергетической установки, работающей совместно с потребителем и накопителем электрической энергии. Созданная физическая модель и результаты апробации работы отдельных ее узлов. 2) Результаты математического моделирования работы ветроэнергетической установки совместно с потребителем и накопителем электрической энергии. 3) Результаты технико-экономических оценок различных накопителей (свинцово-кислотный аккумулятор и суперконденсатор) в составе: 1) стартерной батареи газовой микро-турбины и 2) буферного накопителя ветро-дизельного комплекса. 4) Алгоритм обоснования оптимального состава и основных параметров (энергоемкость, напряжение) накопителя электрической энергии в составе ветроэнергетической системы | ||
| 3 | 15 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Теоретические и экспериментальные исследования работы ветроэнергетических установок совместно с современными типами накопителей электрической энергии в переходных режимах |
| Результаты этапа: Проведены экспериментальные исследования с использованием имитационной модели ветроэнергетической установки, работающей совместно с потребителем и накопителем электрической энергии в условиях непостоянного входного сигнала (скорость ветра) и нагрузки потребителя. Для формирования облика автономной энергосистемы гарантированного электроснабжения с преимущественным использованием энергии ветра был проведен детальный анализ энергетических характеристик ветра на примере измерений скорости ветра на юге Европейской части России в течение 8 месяцев на разных высотах с дискретностью 10 минут. Проведено математическое моделирование работы ВЭУ с гибридным накопителем с использованием данных ветромониторинга. Анализ результатов физического и математического моделирования позволил разработать подходы к выбору оптимальных типов накопителей для автономных и сетевых ветроэнергетических установок и различных условий их эксплуатации. Результаты работы за 2018 г. были опубликованы в двух статьях в журналах из списка ВАК, доложены и опубликованы в сборниках материалов двух Всероссийских конференций | ||
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".