ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS FOR ENERGY SYSTEMS ON THE BASIS OF RENEWABLE ENERGY SOURCES

Самородов А.В.¹, Кашин Я.М.², Копелевич Л.Е.³

¹ORCID: 0000-0003-0465-6798, ^1,2,3кандидат технических наук, Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

ЭЛЕКТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Аннотация

В статье приводятся современные тенденции технологии преобразования возобновляемых источников энергии и перспективы их развития. Анализируются современные тенденции технических и технологических решений в области возобновляемой энергетики, в частности, в области ветроэнергетики и фотовольтаики. Делается вывод о том, что в данной сфере в последнее время не происходит серьезных технических и технологических изменений, что негативно сказывается на развитии возобновляемой энергетики. Для удешевления технологии преобразования возобновляемых источников энергии необходимо развивать альтернативные технические и технологические решения в данной области.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, системы энергоснабжения, электромеханические преобразователи энергии, генерация электроэнергии.

Samorodov A.V.¹, Kashin Ya.M.², Kopelevich L.E.³

¹ORCID: 0000-0003-0465-6798, ^1,2,3PhD in Engineering, Kuban State Technological University, Krasnodar,

ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS FOR ENERGY SYSTEMS ON THE BASIS OF RENEWABLE ENERGY SOURCES

Abstract

In the article presents modern tendencies of technology of transformation of renewed energy sources and prospects of their development. Current trends in technical and technological solutions in the field of renewable energy, in particular in the field of wind power and photovoltaics, are analyzed. The conclusion is drawn that in the given sphere there have been no serious technical and technological changes lately that negatively affects the development of renewable energy. To reduce the cost of technology for converting renewable energy sources, it is necessary to develop alternative technical and technological solutions in this field.

Keywords: renewable energy sources, energy supply systems, electromechanical energy converters, energy generation.

На сегодняшний день электроэнергетические системы с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) имеют ряд серьезных проблем, которые не позволяют им создавать конкуренцию традиционным системам, использующим в качестве источника энергии органическое ископаемое топливо.

Пик инвестиций в возобновляемую энергетику в мире пришелся на 2013 год. Затем произошел резкий обвал цен на нефть и, соответственно, экономическая привлекательность этой области упала. Так даже при высоких ценах на энергоносители инвестиционная привлекательность и экономическая окупаемость выглядела сомнительной, а в современных условиях они сводятся практически к нулю. Соответственно большинство частных компаний инвестиции в этом направлении либо прекратили полностью, либо значительно урезали.

С другой стороны, в мировом научном сообществе существует понимание (особенно в странах с отсутствием природных ресурсов), что такая ситуация не может продолжаться сколь угодно долго. Стоимость углеводородов в исторической перспективе будет только возрастать. В результате использование возобновляемой энергетики постепенно станет рентабельным.

В такой изменившейся экономической ситуации конкурентоспособными окажутся те страны, которые вкладывали в создание инновационные технологии опережающими темпами, а не постфактум. Так поступают многие промышленно развитые страны Европы, а также США.

Основной проблемой является высокая стоимость таких систем и, как результат, их низкая рентабельность. Так, например, стоимость системы электроснабжения жилого дома на базе солнечных батарей мощностью 3 кВт, на сегодняшний день составляет более 400 тыс. руб. Из них более половины – это стоимость силовой электроники: инверторов напряжения, систем управления, контроллеров и т.п., а остальное – это стоимость непосредственно фотоэлектрических преобразователей и аккумуляторов резервирования.

Цена фотоэлектрических преобразователей и аккумуляторов довольно высока и практически не снижается. Очевидно, что здесь не произойдет никаких изменений, если не изменится технология их производства. То есть не появятся фотоэлектрические преобразователи и аккумуляторы, созданные по более дешевой технологии.

Сегодня на рынке существует практически единственная технология преобразования солнечной и ветровой энергии: преобразование возобновляемой энергии в энергию постоянного тока, затем преобразование в переменный ток с помощью дорогостоящих инверторов с применением аккумуляторов в качестве резерва. Для того, чтобы меньше зависеть от одного источника и, соответственно уменьшить емкость аккумуляторных батарей целесообразно комбинировать два и более независимых друг от друга ВИЭ. При этом желательно, чтобы источники были взаимодополняющими друг друга. Парадокс в том, что система при этом еще более усложняется и удорожается.

В связи с этим возникла идея отказаться от электронных преобразователей со всеми их известными проблемами и заменить их на электромеханические. Так, например, можно использовать систему двигатель постоянного тока - генератор.  ДПТ легко регулируется по частоте вращения, а в случае использования синхронного генератора отпадают проблемы параллельной работы с традиционной сетью электроснабжения. И стоимость такой системы сравнительно невысока.

На кафедре электротехники и электрических машин ФГБОУ ВПО КубГТУ для этих целей была предложен ряд конструкций двухмерных электрическим машин-генераторов (ДЭМГ), Данная машина представляет собой систему ДПТ-Г в одном корпусе [1], [8]. Предполагается, что работать такая машина будет в автономных системах электроснабжения удаленных объектов с использованием энергий ветра и Солнца [4].

Суть конструкции заключается в том, что ДЭМГ представляет собой совмещенную машину, в которую на вал подается механическая энергия от ветроагрегата, а также на одну из обмоток постоянный ток от солнечных фотоэлектрических преобразователей. В самом электромеханическом преобразователе происходит сложение на уровне магнитных полей энергии Солнца преобразованной в энергию постоянного тока и энергии ветра преобразованной в энергию переменного тока [5], [6], [7]. Таким образом появляется возможность избавиться от большинства компонентов силовой электроники.

Работа над различными конструкциями ветро-солнечных генераторов авторами ведется более 15 лет. Различные конструкции демонстрировались на международных выставках, где неизменно удостаивались внимания специалистов, а также медалей и дипломов на выставках в Европе и КНР.

Но создать электромеханический преобразователь мало, необходимо разработать принципы построения на его базе энергетической системы и алгоритмов ее работы [9].

Такая машина нуждается в системе стабилизации параметров производимой ей электроэнергии, что важно с точки зрения повышения уровня стабилизации величины и частоты выходного напряжения ДЭМ-Г при резких порывах ветра, изменениях солнечного излучения, или резких изменениях нагрузки [2], [3]. Следует заметить, что в системе нетрадиционной энергетики качество вырабатываемой электрической энергии несравнимо с качеством энергии в большой энергетике. Это просто невозможно, ибо без того дорогая возобновляемая энергия станет ещё дороже, если предусмотреть устройство по улучшению её качества.

Таким образом, авторы считают, что, избавившись от дорогостоящих систем силовой электроники и заменив схему преобразования энергии на электромеханическую, можно значительно удешевить систему и, соответственно повысить ее рентабельность [10].

Необходимо заметить, что для того чтобы какая-либо технология удешевлялась, должна существовать конкуренция. Конкуренция между технологиями и техническими решениями. На сегодняшний день в области ветроэнергетики и фотовольтаики такая конкуренция практически отсутствует. Используются одни и те же отработанные, но малоэффективные решения.

В настоящее время нет данных о том, что в мировом электромашиностроении разработаны электромеханические преобразователи энергии для использования в системах ВИЭ с возможностью преобразования в одной электрической машине энергию Солнца и кинетическую энергию ветра в электрическую энергию.

Таким образом, разработка многовходовых преобразователей энергии для энергоснабжения локальных объектов на сегодняшний день весьма актуальна, особенно, для регионов с жарким климатом большим количеством ветряных и сонечных дней в году, каковым является, например,  Краснодарский край.

Создание многовходовых преобразователей энергии, позволяющих суммировать энергию солнца, ветра и источника тепла одновременно преобразовывать полученную суммарную энергию в электрическую позволит оптимизировать всю систему энергоснабжения локальных объектов на базе возобновляемых источников энергии, повысив энергетические и улучшить массо-габаритные и стоимостные показатели установок ВИЭ.

Исходя из анализа развития технологии преобразования возобновляемых источников энергии, можно сделать заключение о том, что рентабельность и эффективность нетрадиционной энергетики без появления новых технологических и технических решений будет оставаться все такой же низкой.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Краснодарского края в рамках научного проекта №16-48-230500 «р_а».

Список литературы / References

1. Гайтов Б.Х. Разработка и основы теории двухмерных электрических машин для систем автономного электроснабжения / Б.Х. Гайтов, Т.Б. Гайтова, С.Р. Шарифуллин, и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 1999.– № 4. – С. 16-21.
2. Гайтов Б.Х. Устойчивость специальных электрических машин для систем автономного питания в пищевой промышленности / Б.Х. Гайтов, А.В. Самородов, Н.Р. Голубев // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. – 2006. – № 6. – С. 101-102.
3. Гайтов Б.Х. Моделирование и расчет температурного поля специальных электрических машин для систем автономного электроснабжения / Б.Х. Гайтов, Л.Е. Копелевич, А.В. и др. // Изв. вузов. Электромеханика. – 2006. – № 5. – С. 24-27.
4. Самородов А.В. Разработка системы автономного электроснабжения на базе двухмерной электрической машины // дис. … канд. тех. наук : 05.09.03 : защищена 23.04.02 : утв. 12.07.02 / Самородов Александр Валерьевич. – Краснодар: КубГТУ., 2002. – 148 с..
5. Патент РФ № 2332775, 05.12.2006. Гайтов Б.Х., Самородов А.В., Гайтова Т.Б. и др. Двухмерная электрическая машина-генератор // Патент России № 2332775. 2006.
6. Патент РФ № 2349016, 07.05.2007. Гайтов Б.Х., Самородов А.В., Гайтова Т.Б. и др. Управляемая двухмерная электрическая машина // Патент России № 2349016. 2007.
7. Патент РФ № 2332774, 07.05.2007. Гайтов Б.Х., Самородов А.В., Гайтова Т.Б. и др. Управляемая двухмерная электрическая машина // Патент России №2332774. 2007.
8. Ермак A.A. Перспективные источники для автономных систем электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии / A.A. Ермак, А.В. Самородов, и др. // Современные наукоемкие технологии. –2013. – № 8-1. – С. 39-41.
9. Gaitov B.Kh. The two-way generator for self-contained supple systems. construction and characteristics / B.Kh. Gaitov, L.E. Kopelevich, A.V. Samorodov and others // GLOBAL SCIENCE AND INNOVATION Materials of the V International Scientific Conference. Accent Graphics communications, Strategic Studies Institute, Article writers. – 2015. – С. 340-344.
10. Самородов А.В. Перспективные преобразователи для возобновляемой энергетики. / А.В. Самородов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – № 4-2 (23). – С. 59-60.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gaytov B. Kh. Razrabotka i osnovy teorii dvukhmernykh elektricheskikh mashin dlya sistem avtonomnogo elektrosnabzheniya [Development and foundations of the theory of two-dimensional electric machines for systems of autonomous power supply] / B. Kh. Gaytov, Т.Б. Gaitova, S.R. Sharifullin and others // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika [News of higher educational institutions. Electromechanics]. – 1999. – №4. – p. 16–21. [in Russian]
2. Gaytov B. Kh. Ustoychivost' spetsial'nykh elektricheskikh mashin dlya sistem avtonomnogo pitaniya v pishchevoy promyshlennosti [Stability of special electric machines for self-contained food systems in the food industry] / B. Kh. Gaytov, A.V. Samorodov, N.R. Golubev // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya tekhnologiya [News of higher educational institutions. Food technology]. – 2006. – № 6 – p. 101–102. [in Russian]
3. Gaytov B. Kh. Modelirovaniye i raschet temperaturnogo polya spetsial'nykh elektricheskikh mashin dlya sistem avtonomnogo elektrosnabzheniya [Modeling and calculation of the temperature field of special electric machines for autonomous power supply systems] / B. Kh. Gaytov, E. Kopelevich and others // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika [News of higher educational institutions. Electromechanics]. – 2006. – №5. – p. 24–27. [in Russian]
4. Samorodov A.V. Razrabotka sistemy avtonomnogo elektrosnabzheniya na baze dvukhmernoy elektricheskoy mashiny [Development of an autonomous power supply system based on a two-dimensional electric machine] // dis. … of PhD in Engineering : 05.09.03 : defense of the thesis 1.04.05 : approved 12.07.02 / Samorodov Alexander Valerievich. – Krasnodar: KubGTU, 2002. – 148 p. [in Russian]
5. Patent RUS 2332775 Dvukhmernaya elektricheskaya mashina-generator [wo-dimensional electric machine-generator] / B.KH. Gaytov, A.V. Samorodov, Gaytova T.B. and others// Patent RUS [patent for invention] № 2332775 –2006. [in Russian]
6. Patent RUS 2349016 Upravlyayemaya dvukhmernaya elektricheskaya mashina [Controlled two-dimensional electric machine] / B.KH. Gaytov, A.V. Samorodov, T.B. Gaytova and others // Patent RUS [patent for invention] № 2349016. – 2007. [in Russian]
7. Patent RUS 2332774 Upravlyayemaya dvukhmernaya elektricheskaya mashina [Controlled two-dimensional electric machine] / B.KH. Gaytov, A.V. Samorodov, T.B. Gaytova and others // Patent RUS [patent for invention] № 2332774. – 2007. [in Russian]
8. Yermak A.A. Perspektivnyye istochniki dlya avtonomnykh sistem elektrosnabzheniya na baze vozobnovlyayemykh istochnikov energii [Prospective sources for autonomous power systems based on renewable energy sources] / A.A. Yermak, A.V. Samorodov, M.L. Kopelevich // Sovremennyye naukoyemkiye tekhnologii [Modern high technology]. – 2013. – № 8-1. – p. 39-41. [in Russian]
9. Gaitov B.Kh. The two-way generator for self-contained supple systems. construction and characteristics / B.Kh. Gaitov, L.E. Kopelevich, A.V. Samorodov, Ya.M. Kashin // GLOBAL SCIENCE AND INNOVATION Materials of the V International Scientific Conference. Accent Graphics communications, Strategic Studies Institute, Article writers. – 2015. – p. 340-344. [in Russian]
10. Samorodov A.V. Perspektivnyye preobrazovateli dlya vozobnovlyayemoy energetiki [Perspective converters for renewable energy] / A.V. Samorodov // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal [International Research Journal]. – 2014. – № 4-2 (23). – p. 59-60. [in Russian]