Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

(2.1.5)

, (2.1.6)

, (2.1.7)

где: , s_ср - средние за сутки параметры распределения, Вт;

, s_срс - 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 1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 – 5 5 - 6 6 – 7 7 – 8 8 – 9 9 – 10 10 – 11 11 – 12 12 – 13 13 – 14 14 – 15 15 – 16 16 – 17	133 50 50 50 80 180 230 357 944 1307 1307 1121 536 707 936 1157 1179	217 100 100 100 125 160 203 354 971 1371 1257 943 429 471 700 1271 1264	164 64 50 84 110 110 159 278 1064 1278 1207 893 436 421 650 507 850	467 50 50 50 67 124 203 443 864 1207 1250 986 393 721 664 1143 1274

Продолжение табл. 2.1.1

1	2	3	4	5
17 – 18 18 – 19 19 – 20 20 – 21 21 – 22 22 – 23 23 – 24	724 746 863 673 373 212 198	1264 1356 1183 1173 949 549 246	1200 911 1021 578 709 438 203	1200 1278 1042 967 596 328 192

Таблица 2.1.2.

Параметры распределения нагрузки по данным РУМ - 10

Сезон	Коэффициент сезона	Рср, Вт	Бср, Вт	к1	К2
Зима Весна Лето Осень	1 0,8 0,7 0,9	1100 880 770 990	535 535 375 482	1,25 1,12 0,93 1,08	365 98 251 290

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:

, (2.2.1.)

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

m_xy - корреляционный момент случайных величин Х и Y.

Корреляционный момент является математическим ожиданием про­изведения отклонений случайных величин Х,Y и вычисляется по фор­муле /5/:

, (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 rнс	0,66 0,59	0,20 0,25	0,44 0,41	0,43 0,34

Здесь: r_нв - коэффициент корреляции между нагрузкой и удель­ной мощностью ветра;

r_нс - 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:

, (2.3.1.)

W_в + W_с = 5W_о (2.3.2.)

W_а = W_в - W_о (2.3.3.)

где: Y - целевая функция;

S_в, S_с, S_а - стоимость электроэнергии, вырабатываемой со­ответственно В-установкой, С-установкой и аккумуля­торами;

W_в, W_с - электроэнергия, вырабатываемая соответственно В- установкой и С-установкой кВт ч;

W_а- электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе, кВт ч;

W_о- суточное расчетное потребление электроэнергии, кВт ч. По данным п.2.1. W_о=22,4 кВт ч.

Раскроем функции стоимостей электроэнергии и проведем необ­ходимые вычисления в долларах США. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой В-установкой, растет с увеличением W_в нелинейно. Это объясняется опережающим ростом материалоемкости и сложности конс­трукции /18,20,22/.В общем случае можно записать эмпирическое вы­ражение:

S_в(W_в) = k_вW_вx^х (2.3.4.)

где k_в, 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:

W_в = t_вN_с (2.3.5.)

где: t_в- время работы в году, ч;

N_с- срок службы, лет.

По данным п.1.2. t_в=6830 часов.

Подставив эти данные ориентировочно можно записать:

После логарифмирования, получаем:

Откуда:

k_в = 0,05; x = 1,2.

Следовательно, функцию стоимости электроэнергии, вырабатыва­емой В- установкой, можно приближенно выразить формулой:

, (2.3.6.)

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, имеет линейную зависимость, т. к. в основном определяется площадью фо­тоэлементов, пропорциональной мощности установки. Следовательно, можно записать:

S_с(W_с) = s_оW_с, (2.3.7.)

где: s_о - стоимость 1 кВт часа электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, дол/кВт ч..

По данным /18/ s_о= 0,1дол/кВт ч.

Подставив численые значения, имеем:

S_с= 0,1 W_с (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:

S_а = k_аW_а^-2, (2.3.9.)

где: k_а - коэффициент пропорциональности.

Для получения численного значения воспользуемся данными о стоимости аккумулятора 6СТ- 75. Его стоимость около 40 долларов. С учетом этого имеем:

40 = k_а(0,66)^-2

k_а = 40(0,66)^-2 = 17,4

Здесь 0,66 - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе.

Таким образом, функция стоимости электроэнергии, накапливае­мой в аккумуляторах, имеет вид:

S_а = 17,4 W_а^-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:

Для определения Wв, обращающей целевую функцию в min, про­ведем соответствующие вычисления /32/:

, (2.3.11.)

Уравнение (2.3.11.) является трансцендентным, поэтому его решение находим графически (рис. 2.3.1.)

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

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

, (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:

, (2.3.14.)

где: E_а- емкость аккумулятора, А ч;

U_а- напряжение аккумулятора, В.

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

Таким образом, параметры энергосистемы на основе ВИЭ следую­щие:

Основной источник В-установка, Р_в= 3 кВт;

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

Резерв, аккумуляторы 6СТ-75 Е_а= 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;

- возможность авторегулирования скорости вращения.

К недостаткам В-установок пропеллерного типа можно отнести более сложную конструкцию и значительный гироскопический момент. Однако, современное состояние техники изготовления В-установок пропеллерного типа позволяет значительно упростить расчеты крыла и уменьшить влияние гироскопического момента /18,22 /.

Исходя из изложенного, для привода электрогенератора прини­мается быстроходная В-установка пропеллерного типа. Справедли­вость такого решения подтверждается мировой практикой использова­ния энергии ветра для электроснабжения /18/.

3.2. Обоснование и расчет ветроколеса

Конструктивными параметрами ветроколеса являются число ло­пастей, диаметр, профиль лопасти, угол защемления.

От количества лопастей ветроколеса зависит его номинальная скорость вращения, при которой достигается максимальный к.п.д. /19,43,23/. Чем больше лопастей содержит ветроколесо, тем больше его крутящий номинальный момент, но тем меньше его же но­минальная скорость вращения. Момент на валу генератора от ветро­колеса определяется по формуле /21,46 /:

,