Внедрение возобновляемых источников энергии для повышения надежности и качества электрической энергии сельской местности

1. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования
«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Механизация животноводства и электрификация сельского
хозяйства»
Выпускная квалификационная работа
«Внедрение возобновляемых источников энергии для повышения
надежности и качества электрической энергии МУП «Сантехкомплект»
сельской местности в условиях Нижегородской области»
Выполнил:
Разов А.Н.
студент гр. 57
Руководитель:
Бугров С.А.,
к.т.н., доцент кафедры «МЖиЭСХ»
Нижний Новгород
2024 год

2.

Цель исследования
Исследование и разработка технических решений по повышению энергетической
эффективности электротехнических комплексов Муниципального унитарного
предприятия за счет внедрения на его объектов микрогенерации и повышения
качества электрической энергии.
Основные задачи, решаемые в ходе работы
- Анализ нормативных документов по возобновляемым источникам энергии;
- Исследование режимов работы и влияния на качество электроэнергии
электроприемников зданий;
- Экспериментальное исследование показателей качества электроэнергии на
объектах с микрогенерацией;
- Моделирование фотоэлектрической системы на исследуемом объекте;
- Разработка эффективных схем внедрения фотоэлектрических систем на
производственных объектах;
- Разработка и технико-экономическое обоснование мероприятия по внедрению
солнечных электростанций на производственных объектах.
2

3.

Виды генерирующих
объектов
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
Анализ нормативно-правовых документов по
возобновляемым источника энергии
Генерирующие объекты,
функционирующие на
основе фотоэлектрического
преобразования энергии
солнца
35,2
140
199
250
270
270
270
162,6
162,6
99,5
99,5
3

4.

Анализ рынка фотоэлектрической солнечной
энергетики РФ и за рубежом
Прогноз развития мировой фотоэлектрической
солнечной энергетики до 2024 года
Доля занимаемого мирового рынка
по производству ФСМ
Изменение стоимости ФСМ
4

5.

Оценка располагаемого потенциала солнечной энергии на
территории Нижегородской области
г. Нижний Новгород (56.4397, 44.9725)
Средний уровень инсоляции по зонам на территории РФ
Инсоляция, кВт·ч/м2
7
6
5
4
3
2
1
0
Угол, °
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Солнечная
инсоляция,
кВт·ч/м2
Оптимальный угол
наклона ФСМ, °
Январь
1,56
73
Февраль
2,63
64
Март
3,77
51
Апрель
4,61
35
Май
5,66
21
Июнь
5,81
12
Июль
5,76
18
Август
4,6
27
Сентябрь
3,27
44
Октябрь
2,18
58
Ноябрь
1,58
70
Декабрь
1,09
74
Среднее
за год
3,54
45,6
Солнечная инсоляция и оптимальный угол наклона
ФСМ для г. Нижний Новгород
5

6.

Классификация фотоэлектрических солнечных
модулей и их сравнительный анализ
Монокристаллическая и Поликристаллическая ФСМ
Гетероструктурная
ФСМ
Наименование ФСМ
КПД, %
Монокристаллические
17-22%
Поликристаллические
12-18%
Гетероструктурные
20-25%
Теллурид кадмия
10-12%
Селенид меди-индия
15-20%
Аморфные, Полимерные
5-6%
6

7.

Описание предприятия МУП «Сантехкомплект»
Численность персонала
Баланс потребления электроэнергии
Мощности установленного электрооборудования в зданиях МУП
№
п/п
1
2
3
4
5
6
Наименование
Мощность, кВт
Гараж
Сварочная
Административное здание №1
Административное здание №2
Склад
Мастерская
Итого
5
6
15
25
2
4
57
Режимы работы (колво часов) в сутки
8
8
8
8
8
8
8
7

8.

Исследование влияния ЭП зданий МУП на ПКЭ и на эффективность
функционирования электротехнических комплексов
Анализ показателей качества электрической энергии
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
Наимен‫ ‬ование показателя
Отклонение частоты
Предельно допустимое отклонения
частоты
Колебания частоты
Отклонения напряжения
Несинусои‫ ‬дальность напряжения
Несимметрия напряжения
Значения коэффициента искажения
синусоидальности кривой напряжения
Предельное значения коэффициента
искажения синусоидальности кривой
напряжения
min
max
-0,2Г‫ ‬ц
+0,2Гц
-0,4Г‫ ‬ц
+0,4Гц
-0,2Г‫ ‬ц
-10%
-5%
-2%
+0,2Гц
+10%
+5%
+2%
-8%
+8%
-12%
+12%
Классификация
электроприемников
8

9.

Исследование влияния ЭП зданий МУП на ПКЭ и на эффективность
функционирования электротехнических комплексов
Принципиальная электрическая схема для исследований
9

10.

15:42:10
16:32:30
17:27:30
18:22:30
19:17:30
20:12:30
21:07:30
22:02:30
22:57:30
23:52:30
0:47:30
1:42:30
2:37:30
3:32:30
4:27:30
5:22:30
6:17:30
7:12:30
8:07:30
9:02:30
9:57:30
10:52:30
11:47:30
12:42:30
13:37:30
14:32:30
15:27:30
16:22:30
Напряжение/Фаза 1
P, Вт
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Время, ч
Напряжение/Фаза 2
Время, ч
Отклонение напряжения на вводе питания склада
Фаза А
9:21:39
10:17:30
11:17:30
12:17:30
13:17:30
14:17:30
15:17:30
16:17:30
17:17:30
18:17:30
19:17:30
20:17:30
21:17:30
22:17:30
23:17:30
0:17:30
1:17:30
2:17:30
3:17:30
4:17:30
5:17:30
6:17:30
7:17:30
8:17:30
9:17:30
10:17:30
250U, В
248
246
244
242
240
238
236
234
232
230
Фаза В
800
10:52:53
11:45:00
12:40:00
13:35:00
14:30:00
15:25:00
16:20:00
17:15:00
18:10:00
19:05:00
20:00:00
20:55:00
21:50:00
22:45:00
23:40:00
0:35:00
1:30:00
2:25:00
3:20:00
4:15:00
5:10:00
6:05:00
7:00:00
7:55:00
8:50:00
9:45:00
10:40:00
11:35:00
15:42:10
16:37:30
17:37:30
18:37:30
19:37:30
20:37:30
21:37:30
22:37:30
23:37:30
0:37:30
1:37:30
2:37:30
3:37:30
4:37:30
5:37:30
6:37:30
7:37:30
8:37:30
9:37:30
10:37:30
11:37:30
12:37:30
13:37:30
14:37:30
15:37:30
16:37:30
Исследование влияния ЭП зданий МУП на ПКЭ и на эффективность
функционирования электротехнических комплексов
207 U, В
205
203
201
199
197
195
193
191
189
187
185
Напряжение/Фаза 1
P, Вт
Суточные графики нагрузки рассматриваемых зданий МУП
Фаза А
Напряжение/Фаза 2
Время, ч
Отклонение напряжения на вводе питания здания АБК
Фаза В
Фаза С
700
600
500
400
300
200
100
0
Время, ч
10

11.

Исследование влияния ЭП зданий МУП на ПКЭ и на эффективность
функционирования электротехнических комплексов
№
п/п
Наименование ЭП
Напряжение,
В
Паспортная
мощность,
Вт
80
cos φ,
о.е.
P, Вт,
Q, кВар
P
Q
70
60
50
1
Ноутбук Sony
100-240
220
0,5
2
ПЭВМ Samsung
100-240
330
0,5
40
30
20
3
ПЭВМ Dell
100-240
600
0,9
10
4
5
6
Принтер Xerox
Микроволновая печь
Samsung
Холодильник
Siemens
220-240
1000
0,9
230
1150
0,98
220-240
90
0,98
7
Бойлер Thermex
230
2000
1
8
Электрический
теплый пол
220-230
550
1
9
Электропривод
ворот DoorHan
230
150
0,85
10
СДЛ Osram
220
9
0,9
11:06:36
11:08:48
11:11:00
11:13:12
11:15:24
11:17:36
11:19:48
11:22:00
11:24:12
11:26:24
11:28:36
11:30:48
11:33:00
11:35:12
11:37:24
11:39:36
11:41:48
11:44:00
11:46:12
11:48:24
11:50:36
11:52:48
11:55:00
11:57:12
11:59:24
12:01:36
12:03:48
12:06:00
0
Время, ч
ПЭВМ Dell
11

12.

1
0,9
0,8
0,7
0,1
4:03:51
4:32:00
5:02:00
5:32:00
6:02:00
6:32:00
7:02:00
7:32:00
8:02:00
8:32:00
9:02:00
9:32:00
10:02:00
10:32:00
11:02:00
11:32:00
12:02:00
12:32:00
13:02:00
13:32:00
14:02:00
14:32:00
15:02:00
15:32:00
16:02:00
16:32:00
17:02:00
17:32:00
18:02:00
18:32:00
19:02:00
19:32:00
20:02:00
20:32:00
21:02:00
21:32:00
4:03:51
4:38:00
5:14:00
5:50:00
6:26:00
7:02:00
7:38:00
8:14:00
8:50:00
9:26:00
10:02:00
10:38:00
11:14:00
11:50:00
12:26:00
13:02:00
13:38:00
14:14:00
14:50:00
15:26:00
16:02:00
16:38:00
17:14:00
17:50:00
18:26:00
19:02:00
19:38:00
20:14:00
20:50:00
21:26:00
U, В
248
246
242
240
238
236
Напряжение/Фаза 1 (250 Вт моно)
Напряжение/Фаза 3 (290 Вт моно)
Напряжение/Фаза 1 (250 Вт поли)
234
cosφ
Время, ч
Отклонение напряжения после сетевых инверторов
-50
4:03:51
4:42:00
5:22:00
6:02:00
6:42:00
7:22:00
8:02:00
8:42:00
9:22:00
10:02:00
10:42:00
11:22:00
12:02:00
12:42:00
13:22:00
14:02:00
14:42:00
15:22:00
16:02:00
16:42:00
17:22:00
18:02:00
18:42:00
19:22:00
20:02:00
20:42:00
21:22:00
Исследование ПКЭ в электротехнических комплексах с объектами
микрогенерации (ФСМ)
250S, ВА
244
200
0,5
0,4
0,3
Полная мощность/Фаза
1(250 Вт моно)
Полная мощность/Фаза 3
(290 Вт моно)
Полная мощность/Фаза
1(250 Вт поли)
150
100
50
0
Время, ч
Вырабатываемая мощность ФСМ в течение суток,
после сетевых инверторов
Коэффициент
мощности/Фаза 1 (250
Вт моно)
Коэффициент
мощности/Фаза 3 (290
Вт моно)
0,6
Коэффициент мощности после
сетевых инверторов
0,2
0
Время, ч
12

13.

Моделирование фотоэлектрических систем
Методика расчета фотоэлектрической системы
Первая методика
Вторая методика
Производительность солнечных батарей:
Суммарная площадь солнечных панелей:
– найденный уровень инсоляции.
– кпд ФСМ.
Объём электроэнергии выработанный солнечной станцией:
Площадь одной выбранной солнечной
панели:
Полезная площадь солнечной электростанции:
КПД солнечного элемента:
Для определения количества солнечных
панелей:
Высчитать
какой
площади
солнечные
батареи
потребуются для производства нужного количества
электроэнергии:
Сколько солнечных батарей потребуется:
13

14.

Моделирование фотоэлектрических систем
Моделирование фотоэлектрической системы в программе PVWatts
Первый этап моделирования
Второй этап моделирования
Параметры типа модуля
Фиксирован
ные опции
слежения и
монтажа на
крыше
Тип
модуля
Материал
ячейки
Приблизител
ьная
номинальная
эффективнос
ть
Крышка
модуля
Температур
ный
коэффицие
нт
мощности
Стандарт
Кристалличе
ский
Кремний
15%
Стекло
-0,47% / ° C
Премия
Кристалличе
ский
Кремний
19%
Стекло с
антиблико
вым
покрытие
м
-0,35% / ° C
Тонкая
пленка
Тонкая
пленка
10%
Стекло
-0,20% / ° C
14

15.

Моделирование фотоэлектрических систем
Моделирование фотоэлектрической системы в программе PVWatts
Третий этап моделирования На карте рисуется моделируемая солнечная станция, в
результате определяется площадь под расположение ФСМ и
максимальная емкость системы.
Четвертый этап моделирования (результаты
моделирования)
Характеристики фотоэлектрической
системы
Результаты выработки электрической энергии от
проектируемой фотоэлектрической системы
15

16.

Безопасность жизнедеятельности
Заземление здания МУП 12х12 м. двойным стержневым молниеотводом
SФСМ = a·b
SФСМ = 1,64 · 0,992 = 1,508 м2
Т =1/N
Т = 1 / 0.126 = 7,9
hо = hc = h · 0,85
hc = hо = 12,75 м
rx = (1,1 – 0,002 · h) · (h - hx / 0,92)
SФСМ∑ = 1,508 · 60 = 90,48 м2.
rо = (1,1 – 0,002 · h) · h
rо = (1,1 – 0,002 · 15) · 15 = 16,05 м
rx = (1,1 – 0,002 · 15) · (15 - 8/ 0,92) = 6,741 м
16

17.

Экономический расчет целесообразности установки солнечной
электростанции 5 кВт в электротехнический комплекс
МУП «Сантехкомплект»
Схема реализации данного проекта с ФСМ на 5 кВт
Капитальные
затраты,
тыс. руб.
358,711
Годовая
экономия
тыс.
кВт.ч
тыс.
руб.
4,415
41,943
Простой
срок
окупаемос
ти, лет
8,5
17

18.

Экономический расчет целесообразности установки солнечной
электростанции 15 кВт в электротехнических комплексах служебных и
жилых зданий в условиях Нижегородской области
Схема реализации данного проекта с ФСМ на 15 кВт
Капитальные
затраты,
тыс. руб.
1269,915
Годовая экономия Простой срок
тыс.
кВт.ч
20,564
окупаемости,
лет
тыс. руб.
195,358
6,5
18

19.

Результаты работы
В ВКР проведены исследования эффективности внедрения объектов микрогенерации для
производственных нужд МУП «Сантехкомплект» в условиях Нижегородской области, на основе
фотоэлектрических солнечных модулей.
На основании проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований
получены следующие результаты:
Проведенный анализ нормативных документов в области возобновляемых источников энергии в
РФ, показал необходимость развития нормативно-правовой базы в данной области, для более
эффективного внедрения ВИЭ на различные объекты;
Анализ рынка фотоэлектрической солнечной энергетики в мире и РФ, показал значительное
отставание РФ как в области производства, так и в области внедрения данных технологий;
Проведено изучение физико-технических основ ФСМ, разработана классификация с точки
зрения их эффективности;
Сформирована база данных по ФСМ отечественных и зарубежных фирм-производителей
представленных на Российском рынке. С помощью разработанной базы данных проведен анализ
технических и экономических параметров выпускаемых ФСМ;
Выявлены и разработаны более эффективные схемы подключения фотоэлектрических систем;
Проведено моделирование фотоэлектрической системы на 5 кВт, в программе PVWatts, для
размещения на крыше здания МУП «Сантехкомплект»;
Рассмотрены вопросы БЖД, в частности произведен расчет молниезащиты СЭС;
Проведены экономические расчеты целесообразности установки солнечной электростанции 5
кВт и 15 кВт в электротехнический комплекс МУП «Сантехкомплект».
19

20.

Спасибо за внимание!