ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ВЕТРОВЫХ И СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

METHODS OF BUILDING ENERGY COMPLEXES WITH THE PARTICIPATION OF WIND AND SOLAR POWER PLANTS

Konstantin Bychkov

Magistrate of 3 years of study, Faculty of Industrial Technologies, Electric Power Engineering and Transport, Penza State University,

Russia, Penza

АННОТАЦИЯ

В статье проведено исследование конфигураций автономной электромобильной заправочной станции на альтернативных источниках энергии.

ABSTRACT

The article analyzes autonomous power supply systems based on renewable energy sources.

Keywords: electric power, alternative energy, autonomous systems, solar power plant, wind power plant.

Ключевые слова: электроэнергия, альтернативная энергетика, автономные системы, солнечная электростанция, ветреная электростанция.

Объекты возобновляемой энергетики в силу зависимости от природных условий, многообразных компоновок, состава, способа производства работ, взаимодействия с окружающей средой, в большинстве случаев уникальны.

Выбор оптимального варианта проекта предусматривает учет многих взаимосвязанных факторов и производится посредством серии последовательных уточняющих расчетов.

К основным параметрам гибридного энергетического комплекса, подлежащим обоснованию в процессе проектирования относятся:

-  оценка энергетических потребностей объекта электроснабжения;

- оценка экономического потенциала возобновляемого энергоресурса (ветра и солнечного излучения);

- параметры энергетического оборудования;

- установленная мощность комплекса и его составляющих;

- параметры коммуникаций.

На стадии ТЭО проекта обязательным является экономический расчет проекта и оценка его эффективности.

Оценка энергетических потребностей объекта электроснабжения

Объекты децентрализованного электроснабжения различаются большим разнообразием по установленной мощности, режимам энергопотребления, требованиям к качеству электроэнергии и т.п., в связи с чем, их достаточно сложно классифицировать. Наибольшее распространение децентрализованные системы электроснабжения получили для обеспечения электрической энергией следующих групп потребителей:

- индивидуальные потребители небольшой мощности от единиц до десятков кВт - коттеджи и загородные дома, метеостанции, вышки сотовой связи, полевые объекты и экспедиции, фермерские хозяйства, пограничные, радарные и навигационные посты и т. д.;

- групповые непромышленные потребители установленной мощностью от десятков до сотен кВт - отдельные крупные жилые здания и микрорайоны, различные объекты социальной сферы, торговые предприятия и учреждения здравоохранения, деревни, сёла, посёлки малоэтажной застройки и т. д.;

- промышленные предприятия с установленной мощностью от сотен до тысяч кВт - главным образом предприятия нефтегазодобывающей отраслей.

Характерной чертой децентрализованного потребителя является резкопеременный график электрической нагрузки в течение суток и года. В качестве примера, на рис.1 приведен суточный график потребления небольшого автономного поселения, а на рис.2 - годовой график. Для надежного обеспечения потребителя электроэнергией в таких условиях необходим простой, надежный, экономичный, маневренный источник электропитания, который имеет возможность конструктивного исполнения на широкий диапазон установленных мощностей.

Рисунок 1. Суточный график электрических нагрузок небольшого автономного поселения

Рисунок 2. Годовой график электрических нагрузок объекта автономного электроснабжения

Расчетная электрическая мощность автономного объекта электроснабжения определяется по известным методикам. Так, если в качестве объекта электроснабжения выступает предприятие, то можно использовать метод упорядоченных диаграмм. Если объектом является жилое здание (различных типов) или комплекс зданий (поселок, микрорайон) то можно воспользоваться методиками, изложенными в [2]. Следует отметить, что перед началом расчетов необходимо проанализировать установленные электроприемники по потребляемой мощности и провести комплекс мероприятий по снижению мощности. Например, в качестве освещения использовать энергосберегающие (светодиодные) лампы, исключить такие электроприемники, как «теплый пол», бойлеры и др.

Для моделирования электрической нагрузки объекта можно использовать вероятностно-статистическую модель, задаваемую выражением:

P_pi = P’_i + bs (P_i ) ,

где P_pi  – расчетная активная нагрузка на i-ом часе суточного графика;

P’_i  - математическое ожидание нагрузки на i-ом часе суточного графика;

b - коэффициент надежности расчета, который определяет вероятность, с которой случайные значения нагрузки останутся меньшими принятого расчетного значения P_pi;

s (P_i ) – среднее ой ступени суточного графика.

При нормальном законе распределения вероятностей величин нагрузок, при β=2, s (P_i ) =0,025.

В качестве базовой модели электрической нагрузки можно принять типовой график активной нагрузки сельских жилых домов (или малых сельскохозяйственных предприятий), типичный для децентрализованных потребителей (рис.8).

Графики на рис.3 представлены в относительных единицах и позволяют по известному значению максимальной нагрузки объекта электроснабжения P_max (кВт) получить суточный график расчетной нагрузки объекта для любого дня года:

где К_с – коэффициент сезонности, значение которого представлены в табл. 1

Рисунок 3. Типовые суточные графики нагрузки децентрализованных потребителей

Таблица 1

Коэффициенты сезонности для суточных графиков нагрузки децентрализованных потребителей

В качестве примера на рис.4 представлен суточный график нагрузки децентрализованного потребителя для января месяца, на котором показан диапазон возможного изменения нагрузки на каждом часе суток.

Рисунок 4. Суточный график нагрузки децентрализованных потребителей для января

В результате получаем имитационную модель электрической нагрузки автономного объекта электроснабжения, которую можно использовать для определения энергетических характеристик системы электроснабжения с возобновляемыми энергоисточниками.

Оценка ветроэнергетического потенциала

Ветроэнергетический потенциал определяется как полная энергия ветрового потока какой-либо местности на определенной высоте над поверхностью земли.

Энергия ветра характеризуется скоростью, являющейся случайной переменной в пространстве и времени. Поэтому, энергетические характеристики ветра представляются вероятностным описанием случайного процесса изменения ветроэнергетического потенциала. Основой вероятностного подхода является дискретизация временного процесса, позволяющая считать независимыми и постоянными все определяемые параметры на интервале дискретизации. В качестве временных интервалов стационарности обычно используется час, сутки, сезон, год.

Совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра объединяется в ветроэнергетический кадастр региона. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

– среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;

– повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей ветра;

– вертикальный профиль средней скорости ветра;

– удельная мощность и удельная энергия ветра;

– ветроэнергетические ресурсы региона.

Для получения достоверных данных о средних скоростях ветра территории необходимо использовать значительные объемы измерений в течение достаточно длительного времени.

Оценка потенциала солнечного излучения

Основным источником энергии для нашей планеты является солнечная энергия. Именно Солнце является прародителем всех основных энергетических ресурсов, используемых человечеством – Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли, благодаря чему дуют ветры, перемещаются массы воды, развиваются растения, образуются органические виды топлива. Солнце представляет собой огромный, ярко светящийся газовый шар, который состоит в основном из водорода (70%) и гелия (27%). В недрах Солнца непрерывно протекают термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии. Интенсивность излучения на поверхности Солнца составляет 70-80 тыс. кВт/м2 при температуре около 6000˚С. Суммарная мощность лучистой энергии, поступающей к Земной атмосфере, равна примерно 180000 млрд. кВт. Количество солнечной лучистой энергии, приходящей за год к атмосфере Земли, составляет колоссальную величину − 1,5·1018 кВт×ч. Из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 7·1017 кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Интенсивность солнечного излучения зависит от множества факторов: географической широты, угла наклона приемной поверхности по отношению к Солнцу, местного климата, облачности, запыленности воздуха, высоты над уровнем моря, сезона года и времени суток. В средних широтах днем интенсивность солнечного излучения достигает 800Вт/м2 летом и 200...350Вт/м2 ля с заходом Солнца.

Список литературы:

1. Тягунов М.Г., Тягунов А.М. Почему инженеру нужна проектная подготовка? // Известия Академии электротехнических наук РФ, 2011, № 2, с. 60-65;
2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1992;
3. Метеорологическая база данных NASA: [Электронный ресурс] // URL: http://eosweb.larc.nasa.gov;
4. Метеорологическая база данных “Meteonorm”: [Электронный ресурс] // URL: http://meteonorm.com;
5. B. Ridley, J. Boland, and P. Lauret. Modelling of Diffuse Solar Fraction with Multiple Predictors // Renewable Energy, Vol. 35, No. 2, 2010, pp. 478-483;
6. Солнечная энергетика / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин. Под ред. В.И. Виссарионова. – М.: Изд-во МЭИ, 2008 г;
7. Российский метеорологический сайт «Погода России»: [Электронный ресурс] // URL: http://www.meteo.infospace.ru;
8. Будзко И.А. и др. Элекгроснабжение сельского хозяйства. - М.: Ко-лос, 2000. -536с.
9. Лукутин Б.В., Сурков М.А. Нетрадиционные способы производства электроэнергии. Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. -193с.
10. Лукутин Б.В. и др. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении. Монография. — М.: Энергоатомиздат, 2008. — 231с.