Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

АННОТАЦИЯ

В дипломной работе проанализированы возобновляемые источники энергии

(ВИЭ), получены графики изменения электрической нагрузки путем экспертной

оценки. Обоснован вариант энергоснабжения сельской усадьбы на основе ВИЭ,

установлены наиболее экономичные соотношения между мощностями

энергоустановок (ветроустановка - 3,0 кВт, солнечная установка - 0,8 кВт,

аккумуляторная батарея - 3150 А(час.). Определены оптимальные параметры

ориентации фиксированного солнечного коллектора для Зерноградского района (

азимутный угол равен 17,5 оС, угол наклона к горизонту равен 41,6 оС ),

обоснованы параметры ветроэнергетической установки и выбраны электрические

машины и аппаратура управления и защиты.

Разработаны мероприятия по безопасной эксплуатации и монтажу

энергоустановок.

Выполнен расчет экономической эффективности предлагаемого варианта

энергоснабжения сельской усадьбы и определены условия эффективного

применения.

Библ. 47 наим. 5 рис.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1.АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 8

1.1.Солнечное излучение 8

1.2.Энергия ветра 14

2.ВЫБОР ВАРИАНТА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ 19

2.1.Графики потребления электроэнергии 19

2.2.Выбор основного и вспомогательного источника энергии 24

2.3. Определение мощности энергетических

установок........................................26

3.ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ

............................................................................

...............................31

3.1.Выбор типа ветроэнергетической установки 31

3.2.Обоснование и расчет ветроколеса 32

4.КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ 37

5.РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 40

5.1.Выбор электрических машин 40

5.2.Разработка принципиальной схемы электроснабжения 45

5.3.Выбор аппаратуры управления и защиты 45

6.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ВИЭ 49

6.1.Опасности, связанные с монтажом и эксплуатацией

энергоустановок на ВИЭ 49

6.2.Монтаж энергоустановок 49

6.3.Эксплуатация энергоустановок 52

7.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 55

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61

ЛИТЕРАТУРА 63

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена для обеспечения своей жизнедеятельности, удовлетворения

различных потребностей человек создавал, совершенствовал и развивал

различные виды производства. Изобретение топливных двигателей, а затем и

электрических машин, явилось в свое время значительным событием в развитии

энергетики. Оно определило и современное состояние электроэнергетики, в

основе которой лежат тепловые электростанции, работающие на различном

ископаемом топливе.

Но в последнее время, когда казалось, что перспективы традиционной

энергетики на ископаемом топливе достаточно устойчивы, в нарастающем темпе

стали проявляться ее негативные стороны - загрязнение окружающей среды в

сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов угля, нефти, газа.

Так, по данным ЮНЕСКО /18/, при сохранении существующих тенденций

потребления мировых запасов ископаемого топлива хватит на 40 - 100 лет.

Естественно, что человечество попыталось среагировать на появляющиеся

проблемы и было выдвинуто ряд решений по их преодолению. В частности, были

найдены возможности использования термоядерных реакций, которые могут

обеспечить человечество энергией на многие тысячелетия. Однако,

экологические проблемы при этом не снимаются, а наоборот, еще более

обостряются из-за необходимости хранения радиоактивных отходов и

возможности аварий атомных электростанций. Таким образом, можно полагать,

что освоение атомной энергии не устраняет проблем энергообеспечения.

В настоящее время во многих странах Мира (в том числе развитых и

обладающих атомной энергией) все большее внимание уделяется возобновляемым

источникам энергии (ВИЭ), при этом исследуются возможности использования

энергии Солнца, ветра, рек, приливов биотоплива и др. ВИЭ находятся в

природе в естественном состоянии, поэтому не создают экологических проблем,

и в силу своей возобновляемости являются неисчерпаемыми. Однако, применение

ВИЭ для энергоснабжения различных объектов в настоящее время тоже в

некоторой степени является проблематичным.

Так, для некоторых ВИЭ характерно непостоянство мощности во времени.

Причем график изменения мощности ВИЭ может не совпадать с графиком

потребности в энергии (проблема несовпадения). Кроме того, в настоящее

время капитальные затраты на сооружение энергоустановок на основе ВИЭ

превышают капитальные затраты на энергоустановки на ископаемом топливе

(проблема стоимости). Существуют и еще менее значительные проблемы,

связанные в основном с конструкцией энергоустановок на ВИЭ.

Однако, все эти проблемы не являются принципиально неустранимыми, а

порождены, на наш взгляд, недостаточной разработкой вопросов использования

ВИЭ. Разнообразие ВИЭ, современные достижения науки и техники в области

электротехники (включая аккумулирование и повышение к.п.д.

электроприемников), а также непрерывный рост стоимости традиционной энергии

на фоне снижения стоимости энергоустановок на ВИЭ /18,20,39/ дают основания

надеяться на успешное преодоление основных проблем их использования.

Учитывая высокую рассредоточенность и близость ВИЭ к потребителям, а

также необходимость аккумулирования энергии, особенно привлекательным

становится энергообеспечение на их основе небольших объектов.

Исходя из изложенного, целью настоящей работы является разработка

эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ типичной фермерской

усадьбы.

1. АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

1.1. Солнечное излучение

Одним из перспективных ВИЭ является солнечное излучение. Так, полная

средняя мощность солнечного излучения на Землю составляет 1,2(1017 Вт, т.е.

на одного человека приходится около 30 Мвт /18/.

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени

года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически

достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом потерь в атмосфере),

зависит также и от состояния атмосферы (наличия облаков, тумана, пыли и т.

п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то

суточные и годовые графики поступления солнечной энергии имеют сложный

характер. Графики их изменения при этом можно представить двумя величинами:

- детерминированной, функционально связанной с временем суток, года и

широтой местности;

- случайной, зависящей от состояния атмосферы. Математическое

выражение мощности при этом имеет вид:

[pic], (1.1.1.)

где: Sг - плотность мощности солнечного излучения, достигающего

горизонтальной поверхности Земли Вт/м2;

Sг(t,T,f) - функция плотности солнечного излучения на

горизонтальную поверхность от времени суток , времени года ,

широты местности ;

S(x) - потери мощности солнечного излучения в атмосфере, Вт;

F - горизонтальная проекция поверхности Земли, над которой измеряется

солнечное излучение, м2

Sкг= Sг(t,T,f) называется в соответствии со своей сущностью

космическим солнечным излучением / 18 /.

Введем понятие коэффициента прозрачности:

[pic],

(1.1.2.)

С учетом (1.1.1.), получаем:

[pic]

(1.1.3.)

где: [pic]- плотность потерь мощности солнечного излучения в

атмосфере, Вт/м2

Теоретически коэффициент прозрачности может изменятся от 1 (потери в

атмосфере равны нулю) до 0 (солнечное излучение полностью теряется в

атмосфере). Практически kпр находится в пределах 0-0,8 .Это обусловлено

тем, что даже в совершенно ясную погоду происходит поглощение и отражение

солнечного излучения молекулами воздуха.

Введение коэффициента прозрачности позволяет записать

[pic](1.1.1) в следующем виде:

[pic], (1.1.4.)

Функция космического солнечного излучения в силу своей строгой

детерменированности хорошо изучена и затабулирована /37/. На рис. 1.1.1

приведен график функции Sг(T) - зависимость плотности мощности космического

солнечного излучения от времени года для широты Ростовской области.

Здесь же показан график суточной энергии космического солнечного

излучения, построенный по данным /18/.

Отметим, что мощность солнечного излучения, падающего на единичную

площадку сориентированную каким-либо образом, зависит от ориентации этой

площадки. Для ориентации единичной площадки введем следующие параметры

(рис. 1.2):

h - угол высоты Солнца над горизонтом;

? - угол наклона площадки над горизонтом;

? - азимутальный угол, т.е. угол отклонения проекции нормали к

площадке от направления на солнечный полдень.

Согласно рис.1.1.2. наибольшая плотность мощности космического

солнечного излучения будет при совпадении нормали к площадке и направления

на Солнце. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно

изменяется в течение года и суток, то для получения максимально возможной

плотности мощности солнечного излучения углы b и g должны меняться

соответствующим образом, т.е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем.

Однако, как показали многочисленные работы /18,24,27 /, при этом

сильно увеличивается стоимость солнечной установки, превышая стоимость

прибавки мощности от слежения. В этой связи, для маломощных солнечных

установок наиболее эффективными являются фиксированные солнечные приемники

(коллекторы) /18,27/.

Следует отметить, что ориентация фиксированного солнечного коллектора

не очевидна. Это объясняется следующими причинами :

- плотность мощности солнечного излучения зависит от прозрачности

атмосферы (см.(1.1.4.)) ;

- график потребления мощности может быть сдвинут в течении суток.

На рис.1.1.3. приведен пример плотности мощности солнечного излучения,

реально падающего на солнечный коллектор. Здесь предполагается , что в

утренние часы нет облачности , а в послеобеденные часы появляется

облачность. Если такие условия являются статистически устойчивыми, то

очевидно , что целесообразно ориентировать солнечный коллектор не строго на

юг, а на юго-восток, причем более точное его положение должно определяться

специальными оптимизационными расчетами .

Таким образом, для ориентации солнечных коллекторов необходимы

статистические данные о прозрачности атмосферы или о реальных суточных

графиках поступающих через атмосферу потоков солнечной энергии.

За солнечным излучением следят метеорологические станции в рамках

государственных программ метеорологии, поэтому имеется достаточно

статистических данных о графиках поступления солнечной энергии .

Проанализируем, как можно использовать эти статистические данные для

создания солнечных энергоустановок.

Как уже отмечалось, для солнечных энергоустановок малой мощности

наиболее эффективным является фиксированный солнечный коллектор, причем его

ориентация определяется статистическим графиком солнечного излучения.

Солнечное излучение зависит от времени суток и года, и прозрачности

атмосферы, поэтому для ориентации солнечного коллектора необходимо иметь

соответствующие среднестатистические данные. В таблице 1.1.1. приведены

данные о статистическом распределении плотности солнечного излучения,

которые могут быть использованы для определения положения коллектора.

По данным таблицы 1.1.1. определяется сумма получаемой солнечной

энергии за любой период года.

Таким образом проведенный анализ показал, что солнечное излучение

обладает большой энергией и существует достаточно статистических данных и

математический аппарат для проектирования солнечных энергоустановок.

Таблица 1.1.1.

Удельная мощность солнечного излучения на горизонтальную поверхность

|Часы |Мощность солнечного излучения, Вт/м2 |

|суток | |

| |Зима |Весна |Лето |Осень |

|5 |0 |15,5 |38,8 |0 |

|6 |0 |50,4 |124,1 |11,6 |

|7 |3,9 |112,4 |228,7 |46,5 |

|8 |16,9 |190,0 |337,3 |100,8 |

|9 |31,0 |263,6 |422,6 |155,1 |

|10 |42,6 |314,0 |492,3 |193,8 |

|11 |54,3 |337,3 |500,1 |221,0 |

|12 |58,2 |325,6 |507,8 |217,1 |

|13 |46,5 |279,1 |461,3 |182,2 |

|14 |31,0 |232,6 |383,8 |155,1 |

|15 |15,5 |174,5 |298,5 |100,8 |

|16 |3,5 |96,9 |201,6 |42,6 |

|17 |0 |42,6 |108,5 |7,8 |

|18 |0 |11,6 |31,0 |0 |

|19 |0 |0 |3,9 |0 |

1.2.Энергия ветра

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является

вполне сложившимся направлением энергетики. Примерно с 1973 года, когда

резко возросли цены на нефть и нефтепродукты, энергия ветра все более часто

стала использоваться для выработки электроэнергии во многих странах Мира,

особенно в Европе и США /18 /. В СССР, а затем в России, ветроэнергетика

отстает от ведущих капиталистических стран, хотя географическое положение

нашей страны наиболее благоприятно для использования именно этого вида ВИЭ.

Особенно справедливо это для степных районов России, к которым относится

Ростовская область.

Суммарная кинетическая энергия ветра на Земле оценивается величиной

порядка 0,7(1021 Дж /18/. Однако большая часть этой энергии выделяется над

океанами. Тем не менее, как уже отмечалось, над равнинами, не покрытыми

лесами, энергия ветра также довольно высока. Кроме того в такой местности

ветер отличается большей устойчивостью, что особенно важно для работы

ветроэнергетических установок.

Мощность ветрового потока (Sв) через единичную площадку (Fо)

определяется по формуле:

[pic], (1.2.1.)

где: Wв - кинетическая энергия ветра, Дж;

t - время действия ветра, с;

m - масса воздуха, перемещенная ветром через площадку Fо за время t,

кг;

r - плотность воздуха, кг/м;

r=1,3 кг/м;

V - скорость ветра, м/с;

k - коэффициент энергии ветра, кг/м;

k=0,65 кг/м;

Таким образом мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей

степени, и для оценки этой мощности достаточно иметь информацию о скорости

ветра.

В России имеются метеорологические службы, занимающиеся регистрацией

скорости ветра /39/, следовательно имеются достаточно достоверные

статистические данные о его скорости. Однако при этом следует помнить, что

на метеостанциях скорость ветра измеряется на высоте 10 м над поверхностью

Земли в данной местности. Поэтому если ветроколесо находится на другой

высоте, то скорость ветра следует пересчитать по следующей эмпирической

формуле /18/:

[pic],

(1.2.2.)

где: Vh - скорость ветра на высоте h, м/с;

V - скорость ветра по данным метеостанции, м/с;

h - высота оси ветроколеса, м;

b - эмпирический коэффициент.

Для открытых мест параметр b=0,14 /19/. На основании статистических

метеорологических данных /38 / определены параметры энергии ветра в течение

года (табл.1.2.1.).

Таблица 1.2.1.

Параметры энергии ветра

|Месяц |Часы |Вероятность ветра со скоростью, м/с |

| | |1 |4 |8 |12 |16 > |20 |

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |

|1 |1 |0,200 |0,471 |0,252 |0,067 |0,010 |0 |

| |7 |0,196 |0,464 |0,288 |0,042 |0,010 |0 |

| |13 |0,103 |0,484 |0,326 |0,077 |0,008 |0,002 |

| |19 |0,186 |0,472 |0,278 |0,052 |0,012 |0 |

|2 |1 |0,221 |0,425 |0,239 |0,075 |0,040 |0 |

| |7 |0,198 |0,443 |0,248 |0,095 |0,016 |0 |

| |13 |0,082 |0,414 |0,352 |0,117 |0,035 |0 |

| |19 |0,200 |0,445 |0,220 |0,102 |0,033 |0 |

Продолжение табл. 1.2.1

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |

|3 | 1| | 0,434| | | |0,006 |

| | |0,226 | |0,198 |0,099 |0,037 |0,002 |

| |7 |0,207 |0,444 |0,228 |0,102 |0,017 |0,012 |

| |13 |0,057 |0,469 |0,285 |0,137 |0,040 |0,004 |

|4 |19 |0,204 |0,476 |0,210 |0,070 |0,036 |0,006 |

| |1 |0,215 |0,523 |0,181 |0,052 |0,023 |0 |

| |7 |0,146 |0,525 |0,235 |0,077 |0,017 |0,006 |

| |13 |0,065 |0,423 |0,337 |0,117 |0,052 |0,002 |

| |19 |0,192 |0,546 |0,189 |0,048 |0,023 | |

|5 |1 |0,347 |0,482 |0,147 |0,020 |0,002 |0,002 |

| |7 |0,183 |0,584 |0,203 |0,028 |0,002 |0 |

| |13 |0,066 |0,528 |0,290 |0,099 |0,016 |0,002 |

| |19 |0,222 |0,608 |0,146 |0,022 |0,002 |0 |

|6 |1 |0,390 |0,519 |0,081 |0,004 |0,006 |0 |

| |7 |0,228 |0,584 |0,167 |0,019 |0,002 |0 |

| |13 |0,088 |0,552 |0,290 |0,056 |0,012 |0,002 |

| |19 |0,287 |0,562 |0,123 |0,025 |0,000 |0 |

|7 |1 |0,436 |0,489 |0,068 |0,006 |0,002 |0 |

| |7 |0,304 |0,570 |0,112 |0,014 |0,000 |0 |

| |13 |0,090 |0,608 |0,243 |0,046 |0,013 |0 |

| |19 |0,255 |0,600 |0,133 |0,008 |0,004 |0 |

|8 |1 |0,408 |0,510 |0,072 |0,008 |0,002 |0 |

| |7 |0,269 |0,626 |0,099 |0,006 |0,000 |0 |

| |13 |0,108 |0,584 |0,260 |0,038 |0,008 |0,002 |

| |19 |0,311 |0,607 |0,068 |0,012 |0,002 |0 |

|9 |1 |0,387 |0,513 |0,090 |0,010 |0,000 |0 |

| |7 |0,302 |0,559 |0,133 |0,004 |0,002 |0 |

| |13 |0,110 |0,541 |0,282 |0,053 |0,014 |0 |

| |19 |0,362 |0,565 |0,069 |0,004 |0,000 |0 |

|10 |1 |0,339 |0,474 |0,154 |0,027 |0,004 |0,002 |

| |7 |0,298 |0,529 |0,135 |0,032 |0,006 |0 |

| |13 |0,087 |0,516 |0,285 |0,083 |0,025 |0,004 |

| |19 |0,324 |0,501 |0,131 |0,034 |0,006 |0,004 |

|11 |1 |0,208 |0,432 |0,243 |0,080 |0,027 |0,010 |

| |7 |0,167 |0,478 |0,259 |0,078 |0,012 |0,006 |

| |13 |0,067 |0,433 |0,333 |0,126 |0,031 |0,010 |

| |19 |0,167 |0,468 |0,259 |0,069 |0,027 |0,010 |

Продолжение табл. 1.2.1

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 | |

|12 |1 |0,210 |0,431 |0,244 |0,088 |0,025 |0,002 |

| |7 |0,214 |0,408 |0,262 |0,088 |0,024 |0,004 |

| |13 |0,120 |0,446 |0,291 |0,111 |0,032 |0 |

| |19 |0,196 |0,446 |0,248 |0,082 |0,026 |0,002 |

Из таблицы 1.2.1. видно, что наиболее вероятные скорости ветра равны 4

- 12 м/с. По данным таблицы 1.2.1. определена мощность ветра через

единичную площадку Fо=1м, т.е. удельная мощность ветра, и построены графики

(рис.1.2.1.).Удельная мощность, при этом, определялась с учетом

вероятностного характера скорости ветра по формуле / 18,43/:

[pic],

(1.2.3.)

где: St - удельная мощность ветра во время t,Вт;

Vi - i-тая скорость ветра, м/с;

pi(t) - вероятность действия i-той скорости ветра во время t. Для

проектирования электроснабжения важным параметром является

продолжительность штиля (V(1м/с). Из таблицы 1.2.1. определяем, что

вероятность практического штиля в нашей зоне составляет 0,14 -0,30 в

зависимости от времени года, однако максимальное количество идущих подряд

штилевых дней для Ростовской области равно четырем /39/.Это обстоятельство

следует учитывать при проектировании ветроэлектрических установок и

определения глубины аккумулирования электроэнергии.

2. ВЫБОР ВАРИАНТА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Графики потребления электроэнергии

Энергия, потребляемая сельской усадьбой, расходуется на обогрев и

Страницы: 1, 2, 3, 4