Диссертация (Исследование эффективности использования энергетических комплексов на основе возобновляемых источников энергии для зарядки электротранспорта)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиШуркалов Петр СергеевичИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА05.14.08 – Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергииДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук, профессорТягунов М.Г.Москва, 2014 г.2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………… 51.

СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА И ЕГО ЗАРЯДНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ1.1. Электрические транспортные средства и заряднаяинфраструктура ……………………………………………………… 131.1.1. Общие положения ………………………………………………… 131.1.2. Электромобили и гибридные автомобили в мире: современноесостояние и перспективы развития ……………………………… 141.1.3. Зарядная инфраструктура в мире ………………………………… 191.1.3.1. Зарядные станции ………………………………………………191.1.3.2. Станции замены аккумуляторных батарей …………………… 211.1.3.3. Стимулирование развития зарядной инфраструктуры состороны государства и частных компаний …………………….

231.1.3.4. Базы данных и интерактивные карты размещения зарядныхстанций …………………………………………………………… 261.1.3.5. Зарядная инфраструктура: современное состояние иперспективы развития …………………………………………… 271.1.4. Зарядные станции, работающие от возобновляемыхисточников энергии ………………………………………………. 291.1.4.1. Солнечные зарядные станции …………………………………301.1.4.2. Ветряные зарядные станции …………………………………… 341.1.5. Электрические транспортные средства и заряднаяинфраструктура в России ………………………………………… 351.2. Понятие гибридного энергетического комплекса ………………… 391.3. Аналитический обзор исследований и научных работ в областизарядной инфраструктуры для электротранспорта ………………401.4.

Постановка задачи исследования …………………………………461.5. Выводы по главе ……………………………………………………4832. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЭК2.1. Общие положения …………………………………………………… 512.2. Построение структурно-функциональной модели ГЭК …………522.3. Построение ресурсной модели ГЭК ………………………………532.3.1. Ресурсная модель прихода солнечного излучения ……………… 542.3.2.

Ресурсная модель изменения скорости ветра …………………… 552.4. Построение технических моделей элементов ГЭК ………………552.4.1. Техническая модель солнечной фотоэлектрическойустановки …………………………………………………………562.4.2. Техническая модель ветроэлектрической установки …………… 572.4.3. Техническая модель дизельной электроустановки ……………… 582.4.4. Техническая модель потребителей энергии …………………… 582.4.4.1. Технические модели зарядных станций ………………………592.4.4.2.

Технические модели станций замены аккумуляторныхбатарей …………………………………………………………… 702.5. Построение экономической модели ГЭК ………………………… 842.6. Выводы по главе ……………………………………………………913. ОБЩАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЭК3.1. Общие положения …………………………………………………… 933.2. ГЭК, включающие в свой состав зарядные станции ……………… 933.3. ГЭК, включающие в свой состав станции заменыаккумуляторных батарей …………………………………………… 1053.4. Выводы по главе ……………………………………………………1184. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ4.1.

Общие положения …………………………………………………… 1204.2. Расчёт режимов работы ГЭК ………………………………………1244.3. Экономическая оценка эффективности ГЭК ……………………… 1564.4. Выводы по главе ……………………………………………………… 183ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………… 189ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………… 1924ПРИЛОЖЕНИЯПриложение 1. Зарядная инфраструктура в мире и России.Статистика ………………………………………………………………… 205Приложение 2. Техническая модель потребителей энергии …………219Приложение 3.

Результаты расчёта режимов работы ГЭК …………… 229Приложение 4. Результаты экономической оценки эффективностиГЭК ………………………………………………………………………… 240Приложение 5. Информация по рассматриваемому в работеоборудованию …………………………………………………………… 2675ВВЕДЕНИЕС каждым годом количество автотранспортных средств, как в мире вцелом, так и в России в частности, постепенно увеличивается. Следствиемэтого является рост потребления бензина и загрязнения атмосферывыхлопными газами автомобилей. В связи с этим очень остро ставитсявопрос о разработке комплекса мер по экономии жидкого топлива иуменьшению содержания токсичных веществ в атмосфере.

На сегодняшнийдень решение этих проблем идёт по нескольким направлениям, одним изкоторых является разработка практически нетоксичных электрическихтранспортных средств, их популяризация, интеграция в повседневную жизньи постепенный переход на них с обычных автомобилей. Однако при этомвозникает другая проблема, связанная с эксплуатаций таких автомобилей, аименно – для того, чтобы пользоваться электрическими транспортнымисредствамибылокомфортно,необходимасоответствующаязаряднаяинфраструктура, которая обязательно должна включать в себя сети зарядныхстанций и/или станций замены аккумуляторных батарей (АКБ).Сегодня в мире развитие инфраструктуры станций подзарядки,работающих от электрической сети, ведётся довольно большими темпами. Изупомянутых выше двух типов станций наибольшее распространениеполучили обычные зарядные станции, количество которых уже превышает50 тысяч.

Что же касается станций замены АКБ, то их сейчас всегонесколько, однако со временем эта ситуация должна измениться. Кроме этогосравнительно недавно во многих странах мира начали появляться зарядныестанции, работающие от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), аименно – от энергии солнца и ветра. Общее количество таких станций в миреуже насчитывает несколько сотен штук.В России с недавнего времени также началось строительство такойинфраструктуры, но пока все из установленных зарядных станций являютсясетевыми.

Так в Москве и Московской области уже эксплуатируется 42 такие6станции подзарядки [1]. Россия же в свою очередь располагает большимпотенциалом возобновляемых источников энергии, причём, вследствие еёгеографического положения, размеров, разнообразия климата и особенностейместности, виды ВИЭ существенно варьируются [2]. В связи с этим вполнелогичнымявляетсяиспользованиевозобновляемыхисточниковдляэнергоснабжения электрозарядных станций, которые ещё будут строиться натерритории страны.Актуальность темы диссертационной работыЭнергоснабжение станций подзарядки электротранспорта от ВИЭ внастоящеевремявесьмаактуально,впервуюочередьприучётеэкологических факторов.

Так, при подзарядке на сетевых станциях, которыхсейчас большинство, эффект от снижения уровня выбросов за счётзамещения автомобилей электромобилями частично компенсирует ростомвыбросов тепловых электростанций (ТЭС), обеспечивающих рост мощностиэтогоновогоэлектрическиетипапотребителей.транспортныеТакимсредстваобразомполучается,способствуютчтоулучшениюэкологической обстановки только в тех районах, где они используются, тогдакак в районах, где расположены ТЭС, напротив, наблюдается ростзагрязнения атмосферы.

Станции, работающие от генерирующих установокна основе ВИЭ, такого недостатка практически лишены, так как в этомслучае электроэнергия, необходимая для их работы, вырабатывается сиспользованием местных экологически чистых энергоресурсов (энергиисолнца, ветра и др.). Кроме этого энергетические комплексы, включающие всебя установки на основе ВИЭ, зарядные станции и/или станции замены АКБпозволяют эффективно экономить ископаемое топливо за счёт замещениявырабатываемой на ТЭС электроэнергии для зарядки электротранспорта.Помимо экологической и топливной составляющих использованиеэнергокомплексов на основе ВИЭ и станций подзарядки позволяет также7повысить энергобезопасность и энергонезависимость энергорайонов страны.С точки зрения энергобезопасности строительство таких комплексовпривнесёт в энергобаланс этих районов и регионов ещё один или нескольконовых объектов генерации электроэнергии на основе ВИЭ.

В случае выходаиз строя традиционных объектов генерации (электростанций, дизельныхэлектроустановокидр.)илиобъектовпередачиираспределенияэлектроэнергии, комплексы на основе ВИЭ смогут снабжать электроэнергиейне только станции подзарядки электромобилей, но и другие объекты.

В своюочередь для районов, удалённых от линий электропередачи (ЛЭП) комплексына основе ВИЭ позволят снизить зависимость от поставок ископаемых видовтоплива.Следует отметить, что в мире данной теме посвящено значительноеколичество исследований. Более того, как уже было упомянуто, за рубёжомуже действует значительное количество зарядных станций на основе ВИЭ. ВРоссии таких зарядных станций пока нет. Следовательно, проведениеисследований эффективности использования ВИЭ для энергоснабжениястанций подзарядки электротранспорта на территории России, а такжесоздание методики проектирования соответствующих комплексов в частиобоснования их структуры и параметров является актуальным.Целью диссертационной работы является:исследованиегибридныхэффективностиэнергетическихиспользованиякомплексовспециализированных(ГЭК)наосновевозобновляемых источников энергии для питания зарядных станцийили станций замены аккумуляторных батарей средств электрическоготранспорта;разработка методики оптимизации структуры и параметров ГЭК дляэнергоснабжения зарядных станций или станций замены АКБ средствэлектрического транспорта и оценка эффективности их использованияв разных регионах России.8Для создания типовых решений энергетических комплексов станцийподзарядки на основе ВИЭ требуется решить ряд научных и инженерныхзадач по определению рациональной структуры и параметров этих ГЭК.

Приэтом следует иметь в виду не только генерирующие источники, но и всеостальные элементы, входящие в состав таких комплексов. В связи с этим, вработе уделяется большее внимание:использованию в составе ГЭК аккумуляторов электроэнергии, аименно типовых аккумуляторных батарей и аккумуляторных батарейэлектрических транспортных средств;процессамзаряда-разрядарассматриваемыхаккумуляторовэлектроэнергии;разным типам зарядных станций и станций замены АКБ;тому, каким образом станции подзарядки влияют на режимы работыГЭК на основе ВИЭ.Длядостиженияпоставленнойцелинеобходиморешитьследующие основные задачи:1.Проанализировать принципы работы зарядных станций и станцийзамены АКБ средств электрического транспорта и существующиеметодики их математического моделирования;2.Разработать математическую модель ГЭК, включающего в себягенерирующие электроустановки на основе солнечной и ветровойэнергии, работающие параллельно с электрической сетью и наавтономного электропотребителя, и зарядные станции или станциизамены АКБ средств электрического транспорта;3.Исследовать влияние состава и параметров исследуемого ГЭК нарежимы его работы;4.Разработать методику и основанный на ней аппарат техникоэкономического обоснования структуры и параметров ГЭК на основеВИЭ для подзарядки средств электрического транспорта;95.Оценить эффективность использования генерирующих установок наоснове ВИЭ для энергоснабжения станций подзарядки средствэлектрического транспорта для различных потребителей в различныхрегионах России и разработать рекомендации по определениюоптимальной структуры типовых энергетических комплексов на основестанций подзарядки и ВИЭ.Методы и средства выполнения исследованийВисследованииматематическогоприменялисьмоделированияиширокоизвестныефинансово-экономическойметодыоценкипроекта.Научная новизна работы состоит в следующем:1.Разработаны математические модели зарядных станций и станцийзамены АКБ средств электрического транспорта, имитирующие работуэтих станций в разных условиях эксплуатации;2.Разработана математическая модель ГЭК, включающего в себягенерирующие электроустановки на основе солнечной и ветровойэнергии,типовыеэлектромобилейаккумуляторыдлянакопленияилиаккумуляторныеизбыточнойбатареиэлектроэнергииизарядные станции или станции замены АКБ средств электрическоготранспорта с резервированием энергоснабжения от электрической сетиили дизельных электроустановок (ДЭУ);3.Показано влияние состава и параметров исследуемого ГЭК на режимыего работы и эффективность его использования;4.Разработаны методика экономического обоснования структуры ипараметровГЭКэлектрическогонаосноветранспортаиВИЭдлярекомендацииподзарядкипосредствиспользованию10установок на основе ВИЭ для энергоснабжения разных типов зарядныхстанций и станций замены АКБ на территории России.Достоверность полученных результатов основана на корректномиспользовании известных верифицированных методик и математическихмоделейотдельныхэлементовГЭК,опубликованныхвоткрытыхотечественных и зарубежных источниках.Практическаяценностьработысостоитввозможностииспользования разработанной методики и рекомендаций для определенияпараметров ГЭК на ранних стадиях проектирования, а также для оценкиразмещенияГЭКсостанциямиподзарядкисредствэлектрическоготранспорта в разных регионах России.Личный вклад автора заключается в следующем:разработаны математические модели зарядных станций и станцийзамены АКБ разных типов;разработанаматематическаямодельГЭКнаосновестанцийподзарядки и ВИЭ, позволяющая производить расчёт режимов работыГЭК с разным составом оборудования и расположенных в разныхрегионах России;разработана методика обоснования состава и параметров ГЭК,предназначенного для зарядки средств электрического транспорта;проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены ихрезультаты, позволившие сформулировать выводы и разработатьрекомендации по определению структуры ГЭК с использованиемустановок на основе ВИЭ для энергоснабжения зарядных станций истанций замены АКБ разных типов для различных регионов России.11Апробация работыРезультаты выполненной работы докладывались и обсуждались наВсероссийскихимеждународныхконференциях:Восьмаянаучнаямолодежная школа с международным участием «Возобновляемые источникиэнергии» (ФГБОУ ВПО «МГУ имени М.В.