gototopgototop

Расчёт энергоустановки на солнечных элементах для водного транспорта

Хамзаев Адам Саид-Селимович – студент магистратуры Грозненского государственного нефтяного технического университета имени академика М. Д. Миллионщикова.

Алиев Магомед Рашидович – студент Чеченского государственного педагогического университета.

Хакимов Заур Леччиевич – кандидат технических наук Грозненского государственного нефтяного технического университета имени академика М. Д. Миллионщикова.

Саламов Ислам Хамзатович – Грозненского государственного нефтяного технического университета имени академика М. Д. Миллионщикова.

Аннотация: В работе представлены результаты расчета и проектирования энергоустановки на солнечных элементах для водного транспорта. Проведен сравнительный анализ эффективности солнечных элементов различного типа при использовании на водном транспорте, а также изложены особенности проектирования и разработки солнечных энергоустановок для данного вида транспорта. Разработанная энергоустановка апробирована на маломерном судне в рамках всероссийских инженерных соревнований “Солнечная регата”, и показала хорошие результаты.

Ключевые слова: Солнечная энергетика, возобновляемая энергетика, солнечные энергоустановки, экологический транспорт.

Солнечные энергетические установки активно используется во многих сферах жизни и деятельности человека. Традиционная энергетика, работающая на ископаемом топливе, по оценкам многих ученых не имеет перспективы развития в будущем [1]. Наиболее перспективным направлением является возобновляемая энергетика. Самой доступной и эффективной среди всех возобновляемых источников энергии является солнечная энергия. Если рассматривать Россию, то ресурс солнечной энергетики на территории Российской Федерации в несколько раз больше ресурсов ветровой энергетики, а в сравнении с малой гидроэнергетикой - ресурс солнечной энергетики больше в 5000 раз [2]. На начало 2019 года, общая мощность введенных в эксплуатацию солнечных электростанций в России составляет 834 МВт [4]. В мире с каждым годом увеличивается количество введенных в эксплуатацию крупных солнечных электростанций, мощности которых исчисляются десятками и сотнями МВт. Также, на солнечной энергии строятся объекты микрогенерации (мощностью до 15 кВт) для частных и коммерческих объектов. Кроме того, солнечная энергия используется в электронных устройствах, в космических системах, и конечно же в транспорте.

В силу того, что солнечная энергетика требует наличия относительно больших площадей, наиболее подходящим видом транспорта для этого вида энергии является водный транспорт. Например, интенсивность солнечного излучения в некоторых городах России составляет от 840 Вт*ч/м2 до 1371 Вт*ч/м2. [3]. С учетом эффективности существующих фотоэлектрических модулей, которая составляет 19%-22%, с одного м2 можно получить ориентировочно до 300 Вт мощности. Это при идеальных условиях: определенная температура, перпендикулярное расположение модулей к солнечному излучению и т.д. На практике, с использованием имеющихся на рынке фотоэлектрических модулей со средней эффективностью 21,19% (монокристаллические модули, произведенные по технологии PERC) для получения мощности 300 Вт необходима площадь 1,6 м2. Таким образом, для получения мощности 1 кВт необходима площадь минимум 5,4 м2. При этом, вес указанных фотоэлектрических модулей, площадью 5,4 м2 будет составлять 60 кг.

Водный транспорт отличается от других видов транспорта относительно большой площадью, грузоподъемностью и требует меньшей мощности силовых установок. В данной работе рассматриваются маломерные суда прогулочного типа с небольшой скоростью: длина до 6 метров, грузоподъемность - до 300 кг., скорость - 20-25 км/ч. Причиной выбора энергоустановок на основе солнечной энергии для водного транспорта является то, что это экологически чистый источник энергии. В ходе эксплуатации судно не делает вредных выбросов в атмосферу, что позволяет его использовать на тех водных объектах, на которых из-за экологических соображений запрещено использовать водный транспорт с силовыми установками на двигателях внутреннего сгорания.

В последнее время в судостроительстве растет интерес к использованию системы электродвижения [5]. Кроме экологического аспекта, системы электродвижения имеют ряд других преимуществ, по сравнению с традиционными системами на основе двигателей внутреннего сгорания. Например, можно плавно регулировать частоту вращения, автоматизировать большинство режимов работы, высокая надежность и т.д. [5].

1

Рисунок. 1. Эффективность использования электрической силовой установки. [6]

На рис. 1 представлены результаты оценки эффективности использования электрических силовых систем на малых пассажирских судах [6]. Из рисунка графика видно, что при данных скоростях и протяженности пути оптимальными являются полностью электрические силовые системы. При необходимости более высоких скоростей и протяженности можно использовать гибридные системы с подзарядкой от двигателей внутреннего сгорания. Однако, при использование солнечной энергетической установки возможно существенное увеличение продолжительности хода при той же скорости.

Электрическая гребная установка, разрабатываемая в рамках данной работы, имеет следующие характеристики:

  • мощность электродвигателя - 1,8 кВт;
  • напряжение электродвигателя - 24 В;
  • Диаметр винта - 30 см.;
  • Обороты винта - 1100 об/м.
  • Тяга - 110 lbs;

Система электропитания для данной установки спроектирована с учетом максимальной нагрузки электродвигателя и продолжительности хода судна. Габаритные размеры судна: длина - 6 м., ширина - 2 м.. Полезная площадь для фотоэлектрических модулей - 3,12 м2. Общая номинальная мощность фотоэлектрических модулей - 0,4 кВт.

2

Рисунок. 2. Среднемесячная выработка фотоэлектрических модулей.

Используемые фотоэлектрические модули - гибкие монокристаллические модули с эффективностью 20,6%. На рис. 2 представлен график среднемесячной выработки фотоэлектрических модулей, номинальной мощностью 0,4 кВт. в условиях Чеченской Республики. Как мы видим на графике, в летнее время года выработка фотоэлектрических модулей превышает потребление. Однако, в зимний период выработка намного ниже. Система накопления энергии построена на двух свинцово-кислотных аккумуляторах, изготовленных по технологии AGM+GEL общей емкостью 110 А*ч. Емкость одного аккумулятора - 55 А*ч. Максимальный ток разряда аккумулятора при температуре 25° - 550 А, что составляет 5с. Одной из особенностей проектирования энергосистем для транспорта, в данном случае, для водного транспорта, является то, что здесь есть возможность пассивного поддержания необходимого температурного режима посредством направления воздушных потоков или рассеяния тепла в воде. При проектирования маломерного судна, представленного в данном проекте, аккумуляторный отсек был размещен в нижней части корпуса для снижения центра тяжести, а также для более лучшего теплообмена.

3

Рисунок 3. Структурная схема энергоустановки.

Энергоустановка состоит из элементов, представленных на рис. 3. Важным элементом в этой структуре является солнечный MPPT контроллер, который обеспечивает заряд аккумуляторных батарей энергией, получаемой от фотоэлектрических модулей. Номинальный ток заряда MPPT контроллера, используемого в данном проекте - 40А. Согласно данным, представленным на рис. 2, среднесуточная выработка фотоэлектрических модулей - 1.63 кВт*ч/сутки, что составляет 123,5% от емкости системы накопителей. Максимальная выработка - 2,12 кВт*ч/сутки в летнее время. Таким образом, продолжительность хода водного транспорта в автономном режиме на средних оборотах электромотора (до 50%) с глубиной разряда аккумуляторных батарей на 70% составит около 40 минут. Для автономной работы в таком режиме в течение одного часа потребуется ёмкость аккумуляторов около 159 А*ч. Для 10 часов - 998 А*ч. Однако, учитывая постоянную подзарядку накопительной системы за счет солнечной энергии током до 40 А, при средних оборотах и наличии интенсивного солнечного излучения, продолжительность хода существенно увеличивается.

Заключение

Использование электроэнергии для движения судов имеет давнюю историю. Однако, в данной работе был рассмотрен пример использования электрической силовой установки на маломерном судне совместно с солнечной энергосистемой. Применение фотоэлектрических модулей делает водный транспорт экологически чистым, и позволяет его использовать в тех зонах, где запрещено использование водного транспорта на двигателях внутреннего сгорания.

Представленная в данном проекте энергосистема была спроектирована и построена для участия во Всероссийских инженерных соревнованиях “Солнечная регата”. Установка показала хорошие результаты. Представленные в работе данные, расчеты и другая информация может быть полезна при разработке аналогичных энергосистем для маломерного водного транспорта. Экологически чистый транспорт - это будущее. Использование солнечных энергосистем - это будущее водного транспорта.

Список литературы

  1. Григораш О.В., Божко С.В., Попов А.Ю. . Автономные источники электроэнергии: состояние и перспективы. — Краснодар : ВУЦ ВВС., — 174 с.
  2. Усков Антон Евгеньевич, Гиркин Артём Сергеевич, Дауров Адам Вячеславович Солнечная энергетика: состояние и перспективы // Научный журнал КубГАУ - Scientific Journal of KubSAU. 2014. №98.
  3. Муравлева Екатерина Александровна Оценка потенциала энергии солнечного излучения на территории России // Вестник аграрной науки Дона. 2015. №29.
  4. Солнечная энергетика России // Википедия. [2019—2019]. URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=102169971 (дата обращения: 15.09.2019)
  5. Вершинин Виктор Иванович, Махонин Сергей Васильевич, Паршиков Владимир Алексеевич, Хомяк Валентин Алексеевич Создание систем электродвижения для судов различного назначения // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. №1 (387).
  6. Купальцева Евгения Владимировна, Роннов Евгений Павлович Обоснование проектных характеристик "малых" пассажирских судов с электрической гребной установкой // Вестник ИШ ДВФУ. 2018. №1 (34).

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail