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:

, (1.1.1.)

где: S_г - плотность мощности солнечного излучения, достигаю­щего горизонтальной поверхности Земли Вт/м2;

S_г(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

S_кг= S_г(t,T,f) называется в соответствии со своей сущностью космическим солнечным излучением / 18 /.

Введем понятие коэффициента прозрачности:

, (1.1.2.)

С учетом (1.1.1.), получаем:

(1.1.3.)

где: - 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 k_пр 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 (1.1.1) в следующем виде:

, (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;

β - угол наклона площадки над горизонтом;

γ - 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 .

П

Рис. 1.1.3. Пример распределения солнечного

излучения в течение суток

роанализируем, 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 суток	Мощность солнечного излучения, Вт/м2
Зима	Весна	Лето	Осень
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	0 0 3,9 16,9 31,0 42,6 54,3 58,2 46,5 31,0 15,5 3,5 0 0 0	15,5 50,4 112,4 190,0 263,6 314,0 337,3 325,6 279,1 232,6 174,5 96,9 42,6 11,6 0	38,8 124,1 228,7 337,3 422,6 492,3 500,1 507,8 461,3 383,8 298,5 201,6 108,5 31,0 3,9	0 11,6 46,5 100,8 155,1 193,8 221,0 217,1 182,2 155,1 100,8 42,6 7,8 0 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:

, (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/:

, (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 2	1 7 13 19 1 7 13 19	0,200 0,196 0,103 0,186 0,221 0,198 0,082 0,200	0,471 0,464 0,484 0,472 0,425 0,443 0,414 0,445	0,252 0,288 0,326 0,278 0,239 0,248 0,352 0,220	0,067 0,042 0,077 0,052 0,075 0,095 0,117 0,102	0,010 0,010 0,008 0,012 0,040 0,016 0,035 0,033	0 0 0,002 0 0 0 0 0

Продолжение табл. 1.2.1

1	2	3	4	5	6	7	8
3 4	1 7 13 19 1 7 13 19	0,226 0,207 0,057 0,204 0,215 0,146 0,065 0,192	0,434 0,444 0,469 0,476 0,523 0,525 0,423 0,546	0,198 0,228 0,285 0,210 0,181 0,235 0,337 0,189	0,099 0,102 0,137 0,070 0,052 0,077 0,117 0,048	0,037 0,017 0,040 0,036 0,023 0,017 0,052 0,023	0,006 0,002 0,012 0,004 0,006 0 0,006 0,002
5 6 7	1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19	0,347 0,183 0,066 0,222 0,390 0,228 0,088 0,287 0,436 0,304 0,090 0,255	0,482 0,584 0,528 0,608 0,519 0,584 0,552 0,562 0,489 0,570 0,608 0,600	0,147 0,203 0,290 0,146 0,081 0,167 0,290 0,123 0,068 0,112 0,243 0,133	0,020 0,028 0,099 0,022 0,004 0,019 0,056 0,025 0,006 0,014 0,046 0,008	0,002 0,002 0,016 0,002 0,006 0,002 0,012 0,000 0,002 0,000 0,013 0,004	0,002 0 0,002 0 0 0 0,002 0 0 0 0 0
8 9	1 7 13 19 1 7 13 19	0,408 0,269 0,108 0,311 0,387 0,302 0,110 0,362	0,510 0,626 0,584 0,607 0,513 0,559 0,541 0,565	0,072 0,099 0,260 0,068 0,090 0,133 0,282 0,069	0,008 0,006 0,038 0,012 0,010 0,004 0,053 0,004	0,002 0,000 0,008 0,002 0,000 0,002 0,014 0,000	0 0 0,002 0 0 0 0 0
10 11	1 7 13 19 1 7 13 19	0,339 0,298 0,087 0,324 0,208 0,167 0,067 0,167	0,474 0,529 0,516 0,501 0,432 0,478 0,433 0,468	0,154 0,135 0,285 0,131 0,243 0,259 0,333 0,259	0,027 0,032 0,083 0,034 0,080 0,078 0,126 0,069	0,004 0,006 0,025 0,006 0,027 0,012 0,031 0,027	0,002 0 0,004 0,004 0,010 0,006 0,010 0,010

Продолжение табл. 1.2.1

1	2	3	4	5	6	7
12	1 7 13 19	0,210 0,214 0,120 0,196	0,431 0,408 0,446 0,446	0,244 0,262 0,291 0,248	0,088 0,088 0,111 0,082	0,025 0,024 0,032 0,026	0,002 0,004 0 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 F_о=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/:

, (1.2.3.)

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

V_i - i-тая скорость ветра, м/с;

p_i(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 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...у_m, чтобы Y*' = X*, s_y' = s_x Y*',s_y' - параметры распределения приведенной случайной величины Y_{у1,у2...уm}.

Установлено /$$$/, что i-тые значения до и после приведения связа­ны между собой соотношением:

, (2.1.1.)

где: - приведенное i-тое значение Y_i;

k₁, k₂ - коэффициенты приведения.

, (2.1.2.)

(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 σ_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.

, (2.1.4)

,