Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

приведение в действие различных электроприемников. Для обогрева в сельской

местности традиционно используется ископаемое твердое или газообразное

топливо, реже жидкое топливо. Применение для этих целей электроэнергии

скорее является анахронизмом, нежели перспективным направлением.

Если исключить из рассмотрения обогрев, то остальные потребители

являются электрическими и требуют электроэнергии. В этой связи, для

проектирования электроснабжения необходимо иметь информацию о графиках

электропотребления или изменении потребляемой мощности.

В руководящих указаниях по проектированию электроснабжения /36/

приведены данные о максимальной нагрузке на вводе в сельский жилой

дом,которая составляет 1,5...7,5 кВт в зависимости от наличия газификации

местности и уклада жизни. Однако, данных об изменении нагрузки в течение

суток не приводится. В то же время, из-за того, что графики поступления

энергии от ВИЭ неуправляемы человеком, для выбора варианта электроснабжения

необходимо знать графики потребления электроэнергии.

Потребление электроэнергии является случайной величиной, и для

получения графиков рекомендуется проводить соответствующие измерения,

накапливая статистические данные. Однако, такой метод получения графиков

электропотребления является трудоемким, требующим большого числа

наблюдаемых объектов и длительного времени наблюдений. Так, для получения

графика с надежностью 0,9 и при доверительном интервале 30% подвергнуть

наблюдениям 622 сельские дома /5/, причем все они должны быть однотипными,

а наблюдения должны проводиться в течение года.

Известны другие методы получения графиков электропотребления, например

метод экспертной оценки. Этот метод основан на опросе респондентов и

позволяет значительно сократить время получения необходимой информации.

Однако,для получения достоверных данных необходимо значительное количество

объектов (т. е. экспертов), что также затруднительно.

В АЧГАА разработана методика получения достоверных данных о графиках

электропотребления от небольшого числа экспертов /41/. Эта методика

основана на правиле приведения одной случайной величины к другой. Сущность

этого правила заключается в следующем.

Пусть приводимой является случайная величина Y, следовательно

необходимо так изменить у1,у2...уm, чтобы Y*' = X*, sy' = sx Y*',sy' -

параметры распределения приведенной случайной величины Yу1,у2...уm.

Установлено /$$$/, что i-тые значения до и после приведения связаны

между собой соотношением:

[pic],

(2.1.1.)

где: [pic] - приведенное i-тое значение Yi;

k1, k2 - коэффициенты приведения.

[pic],

(2.1.2.)

[pic]

(2.1.3.)

Что бы случайную величину Y привести к случайной величине Х, имеющей

такой же закон распределения,но другие параметры распределения, необходимо

i-тые значения случайной величины Y изменить по формуле (2.1.1),вычислив

коэффициенты приведения по формулам (2.1.2) и (2.1.3).

В соответствии с описанной методикой было опрошено 7 экспертов,

владельцев сельских усадеб с высокой насыщенностью электрооборудования, и

получены данные о времени работы i-тых нагрузок. Путем статистической

обработки этих данных получены усредненные значения нагрузки в i-тые

периоды времени и параметры распределения Р( и ?p (таблица 2.1.1.).

Рассчитаны среднесуточные значения параметров распределения нагрузки в

соответствии с РУМ-10 по следующим формулам и представлены в таблице 2.1.2.

[pic],

(2.1.4)

[pic],

(2.1.5)

[pic],

(2.1.6)

[pic],

(2.1.7)

где: [pic], sср - средние за сутки параметры распределения, Вт;

[pic], sсрс - средние за сутки параметры распределения с учетом

сезона, Вт.

По (2.1.4.) и (2.1.5.) рассчитаны коэффициенты приведения (таблица

2.1.2.) и приведены значения нагрузки в i - тый период времени (таблица

2.1.3.).

Таблица 2.1.1.

Параметры распределения графика нагрузки сельской усадьбы по экспертным

данным

|Часы суток |Значения нагрузки, Вт |

| |Зима |Весна |Лето |Осень |

|1 |2 |3 |4 |5 |

|0 - 1 |133 |217 |164 |467 |

|1 - 2 |50 |100 |64 |50 |

|2 - 3 |50 |100 |50 |50 |

|3 - 4 |50 |100 |84 |50 |

|4 – 5 |80 |125 |110 |67 |

|5 - 6 |180 |160 |110 |124 |

|6 – 7 |230 |203 |159 |203 |

|7 – 8 |357 |354 |278 |443 |

|8 – 9 |944 |971 |1064 |864 |

|9 – 10 |1307 |1371 |1278 |1207 |

|10 – 11 |1307 |1257 |1207 |1250 |

|11 – 12 |1121 |943 |893 |986 |

|12 – 13 |536 |429 |436 |393 |

|13 – 14 |707 |471 |421 |721 |

|14 – 15 |936 |700 |650 |664 |

|15 – 16 |1157 |1271 |507 |1143 |

|16 – 17 |1179 |1264 |850 |1274 |

Продолжение табл. 2.1.1

|1 |2 |3 |4 |5 |

|17 – 18 |724 |1264 |1200 |1200 |

|18 – 19 |746 |1356 |911 |1278 |

|19 – 20 |863 |1183 |1021 |1042 |

|20 – 21 |673 |1173 |578 |967 |

|21 – 22 |373 |949 |709 |596 |

|22 – 23 |212 |549 |438 |328 |

|23 – 24 |198 |246 |203 |192 |

Таблица 2.1.2.

Параметры распределения нагрузки по данным РУМ - 10

|Сезон |Коэффициент сезона |Рср, Вт |Бср, Вт |к1 |К2 |

|Зима |1 |1100 |535 |1,25 |365 |

|Весна |0,8 |880 |535 |1,12 |98 |

|Лето |0,7 |770 |375 |0,93 |251 |

|Осень |0,9 |990 |482 |1,08 |290 |

Таблица 2.1.3.

Параметры графика нагрузки, приведенные к генеральной совокупности

|Часы суток |Значения нагрузки, Вт |

| |Зима |Весна |Лето |Осень |

|1 |2 |3 |4 |5 |

|0 - 1 |531 |341 |404 |794 |

|1 – 2 |427 |210 |312 |344 |

|2 – 3 |427 |210 |297 |344 |

|3 – 4 |427 |210 |329 |344 |

|4 – 5 |465 |238 |353 |362 |

|5 – 6 |590 |272 |353 |424 |

|6 – 7 |652 |325 |399 |499 |

Продолжение табл. 2.1.3

|1 |2 |3 |4 |5 |

|7 - 8 |811 |494 |510 |768 |

|8 – 9 |1545 |1185 |1240 |1223 |

|9 – 10 |1999 |1633 |1440 |1594 |

|10 – 11 |1999 |1506 |1373 |1640 |

|11 – 12 |1766 |1154 |1081 |1355 |

|12 – 13 |1035 |578 |656 |714 |

|13 – 14 |1249 |625 |642 |1069 |

|14 – 15 |1535 |882 |856 |1007 |

|15 – 16 |1811 |1521 |722 |1524 |

|16 – 17 |1839 |1514 |1041 |1666 |

|17 – 18 |1270 |1514 |1367 |1586 |

|18 – 19 |1298 |1617 |1098 |1670 |

|19 – 20 |1444 |1423 |1200 |1415 |

|20 – 21 |1206 |1412 |788 |1334 |

|22 – 23 |630 |713 |658 |644 |

|23 – 24 |612 |384 |440 |497 |

Как видно из таблицы 2.1.3., параметры распределения приведенной

нагрузки совпадают с параметрами генеральной совокупности.

По данным таблицы 2.1.3. построены графики нагрузок на вводе в

сельскую усадьбу (лист 4).

2.2. Выбор основного и вспомогательного возобновляемого

источника энергии.

Возобновляемые источники энергии (ветер и Солнце) являются

неуправляемыми человеком, поэтому надо стремиться к тому, чтобы потребление

электроэнергии было увязано с ее поступлением. Это является особенностью

проектирования электроснабжения на основе ВИЭ по сравнению с традиционным

электроснабжением.

Так как нагрузка усадьбы и мощность ВИЭ (ветра или Солнца) являются

независимыми величинами, то согласованность их графиков оценивается

коэффициентом корреляции /5/, который определяется по формуле:

[pic],

(2.2.1.)

где: rxy - коэффициент корреляции случайных величин X и Y;

mxy - корреляционный момент случайных величин Х и Y.

Корреляционный момент является математическим ожиданием произведения

отклонений случайных величин Х,Y и вычисляется по формуле /5/:

[pic],

(2.2.2.)

Как видно из формулы (2.2.1.) и (2.2.2.) расчет коэффициентов

корреляции является довольно трудоемкой операцией, требующей массовых

вычислений. Тем более, что коэффициенты корреляции должны вычисляться для

каждого сезона отдельно. В этой связи, определение коэффициентов корреляции

было выполнено на ПЭВМ на базе стандартного пакета программ Microsoft

Excel. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.2.1.

Таблица 2.2.1.

Коэффициенты корреляции

|rxy|Сезон |

| |Зима |Весна |Лето |Осень |

|rнв|0,66 |0,20 |0,44 |0,43 |

| |0,59 |0,25 |0,41 |0,34 |

|rнс| | | | |

Здесь: rнв - коэффициент корреляции между нагрузкой и удельной

мощностью ветра;

rнс - коэффициент корреляции между нагрузкой и плотностью солнечного

излучения.

Из расчетов коэффициентов корреляции (табл. 2.2.1.) видно, что зимой,

летом и осенью удельная мощность ветра более коррелирует с нагрузкой на

вводе в сельскую усадьбу, чем плотность солнечного излучения. Весной

наоборот, нагрузка более согласуется с солнечным излучением, но коэффициент

корреляции очень низкий. На основании этого в качестве основного источника

энергии принимается ветер. Так как в течении года наблюдаются штилевые дни,

то энергию ветра необходимо дублировать. В этой связи в качестве

вспомогательного источника принимается солнечное излучение. Однако прямое

солнечное излучение также бывает не каждый день и отсутствует ночью. Это

обусловливает необходимость аккумулирования энергии на периоды

одновременного отсутствия ВИЭ ветра и Солнца.

Таким образом, для электроснабжения сельской усадьбы принимаются

следующие источники энергии:

- ветер (основной источник );

- солнечное излучение ( вспомогательный источник );

- аккумуляторы (резерв ).

Функциональная схема электроснабжения по выбранному варианту показана

на листе 5.

Электроснабжение осуществляется следующим образом. Если присутствует

ветер, то от ветроколеса приводится во вращение машина постоянного тока

(МПТ), заряжающая аккумуляторы , и генератор переменного тока (ГПТ). Если

ветра нет или ветроколесо выключено при недопустимо сильном ветре, то

аккумулятор питает МТП, которая вращает генератор. Солнечная энергия

используется для до зарядки аккумулятора.

2.3. Определение мощности энергетических установок

Мощность ветроэнергетических установок является одной из наиболее

важных характеристик, определяющей надежность системы электроснабжения.

Мощность ветроэнергетической установки (В-установки) должна быть

достаточной для питания электроприемников усадьбы и зарядки аккумуляторов

такой емкости, которой достаточно для питания электроприемников в штилевые

дни ( в течении четырех суток ). При этом нужно учитывать, что в период

штиля аккумуляторы могут дозаряжаться от солнечной энергоустановки (С-

установки). Очевидно что суммарная стоимость В - установки, С-установки и

аккумуляторов должна быть при этом минимальной. Таким образом, обоснование

мощности энергетических установок является оптимизационной задачей, которую

можно сформулировать следующим образом - определить мощность В-установки, С-

установки и емкость аккумуляторов, достаточные для бесперебойного

электроснабжения усадьбы и имеющие минимальную стоимость. В этой задаче

критерием оптимальности является стоимость, следовательно задача

формализуется следующим образом:

[pic], (2.3.1.)

Wв + Wс = 5Wо

(2.3.2.)

Wа = Wв - Wо

(2.3.3.)

где: Y - целевая функция;

Sв, Sс, Sа - стоимость электроэнергии, вырабатываемой соответственно В-

установкой, С-установкой и аккумуляторами;

Wв, Wс - электроэнергия, вырабатываемая соответственно В- установкой и

С-установкой кВт ч;

Wа- электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе, кВт ч;

Wо- суточное расчетное потребление электроэнергии, кВт ч. По данным

п.2.1. Wо=22,4 кВт ч.

Раскроем функции стоимостей электроэнергии и проведем необходимые

вычисления в долларах США. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой В-

установкой, растет с увеличением Wв нелинейно. Это объясняется опережающим

ростом материалоемкости и сложности конструкции /18,20,22/.В общем случае

можно записать эмпирическое выражение:

[pic]Sв(Wв) = kвWвxх

(2.3.4.)

где kв, x - эмпирические коэффициенты.

По данным /18/ электроэнергия, выработанная В-установкой мощностью 1

кВт и сроком службы 20 лет стоит 0,5 $, мощностью 3 кВт стоит 0,66 $. За

срок службы будет выработано электроэнергии:

Wв = tвNс

(2.3.5.)

где: tв- время работы в году, ч;

Nс- срок службы, лет.

По данным п.1.2. tв=6830 часов.

Подставив эти данные ориентировочно можно записать:

[pic]

После логарифмирования, получаем:

[pic]

Откуда:

kв = 0,05; x = 1,2.

Следовательно, функцию стоимости электроэнергии, вырабатываемой В-

установкой, можно приближенно выразить формулой:

[pic], (2.3.6.)

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, имеет линейную

зависимость, т. к. в основном определяется площадью фотоэлементов,

пропорциональной мощности установки. Следовательно, можно записать:

Sс(Wс) = sоWс, (2.3.7.)

где: sо - стоимость 1 кВт часа электроэнергии, вырабатываемой С-

установкой, дол/кВт ч..

По данным /18/ sо= 0,1дол/кВт ч.

Подставив численые значения, имеем:

Sс= 0,1 Wс

(2.3.8.)

Удельная стоимость аккумуляторов падает с увеличением их емкости

приблизительно по гиперболической зависимости. Для практических расчетов в

этом случае функцию стоимости электроэнергии, отдаваемой аккумуляторами,

можно выразить следующим образом:

Sа = kаWа-2,

(2.3.9.)

где: kа - коэффициент пропорциональности.

Для получения численного значения воспользуемся данными о стоимости

аккумулятора 6СТ- 75. Его стоимость около 40 долларов. С учетом этого

имеем:

40 = kа(0,66)-2

kа = 40(0,66)-2 = 17,4

Здесь 0,66 - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе.

Таким образом, функция стоимости электроэнергии, накапливаемой в

аккумуляторах, имеет вид:

Sа = 17,4 Wа-2

(2.3.10.)

Подставив (2.3.6.), (2.3.8.) и (2.3.10.) в целевую функцию (2.3.1.), с

учетом ограничений (2.3.2.) и (2.3.3.), получаем:

[pic]

Для определения Wв, обращающей целевую функцию в min, проведем

соответствующие вычисления /32/:

[pic], (2.3.11.)

Уравнение (2.3.11.) является трансцендентным, поэтому его решение

находим графически (рис. 2.3.1.)

Как видно из графика, оптимальной будет В-установка мощностью 3 кВт.

Пользуясь формулами (2.3.2.) и (2.3.3.), определяем:

[pic], (2.3.13.)

где: t - время работы С-установки за расчетный период t = 12 ч.

Так как модуль солнечного коллектора равен 0,03 кВт, то принимаем

27( 0,03 = 0,81 (кВт)

Для расчета емкости аккумуляторов воспользуемся формулой:

[pic], (2.3.14.)

где: Eа- емкость аккумулятора, А ч;

Uа- напряжение аккумулятора, В.

[pic]

Принимаем Еа = 10((6СТ-210) = 2100 А(ч.

Таким образом, параметры энергосистемы на основе ВИЭ следующие:

Основной источник В-установка, Рв= 3 кВт;

Дополнительный источник С-установка, Рс= 0,72 кВт;

Резерв, аккумуляторы 6СТ-75 Еа= 10*210 =2100 А(ч.

3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

3.1. Выбор типа ветроэнергетической установки

Все ветроэнергетические установки (В-установки) можно классифицировать

следующим образом (лист 1).

К В-установкам с вертикальной осью вращения относятся установки

карусельного типа. Наиболее эффективной из них по использованию энергии

ветра является В-установка типа ротора Савониуса, в которой ветер

воспринимается приблизительно 2/3 рабочей поверхности ветроколеса.

К достоинствам такого типа В-установок относятся:

- простота конструкции;

- не требуется ориентация по ветру;

- для некоторых конструкций (например, ротор Савониуса) довольно

значительный вращающий момент.

К недостаткам относятся:

- низкая скорость вращения, не более скорости ветра;

- значительная зависимость крутящего момента от скорости ветра.

Так как В-установки с вертикальной осью вращения являются тихоходными,

то для привода генератора требуются редукторы с большим передаточным

числом. Кроме того, сильно выраженная зависимость их крутящего момента и

скорости вращения от скорости ветра требуют ряда усовершенствований,

увеличивающих их сложность и стоимость (маховик, шторы для уменьшения

потока ветра и т.п.). В этой связи В-установки карусельного типа

применяются, в основном, для водоподъема, где не требуется поддержания

стабильной скорости вращения.

Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения,

расположенной параллельно ветру, называются В-установками пропеллерного

типа и могут быть тихоходными (с числом лопастей более шести) и

быстроходными (с числом лопастей до шести). Тихоходные установки менее

эффективны для выработки электроэнергии, т.к. необходимы редукторы с

большим передаточным числом. Поэтому они здесь не рассматриваются.

Быстроходные В-установки пропеллерного типа разделяются по способу

расположения ветроколеса: за башней (самоустанавливающиеся на ветер) и

перед башней (требующие устройства установки на ветер). В качестве

устройства установки на ветер для маломощных В-установок применяется

флюгер. Если рассматривать В-установку в качестве двигателя

электрогенератора, то быстроходные установки пропеллерного типа по

сравнению с другими обладают следующими преимуществами:

- высокая скорость вращения, что позволяет применять редуктор с малым

передаточным числом или вообще обходиться без редуктора;

- наиболее высокий к.п.д.;

- наименее выражена зависимость крутящего момента от силы ветра;

Страницы: 1, 2, 3, 4