Методология рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей

Продолжительность солнечного сияния является случайной величиной. В условиях Южного Урала исследованы эмпирические распределения, в которых выявлена характерная особенность – наличие как минимум двух мод. Для аппроксимации интегральной обеспеченности p(S) заданной продолжительности солнечного сияния использовано полиномиальное уравнение

. (34)

Интегральная обеспеченность продолжительности солнечного сияния удовлетворительно согласуется в зимние месяцы полиномом четвертого порядка; в осенние и весенние месяцы – полиномом второго и третьего порядка; в летние месяцы – полиномом второго порядка.

Энергия ветрового потока и ее характеристики оцениваются на основе данных метеорологических наблюдений. В качестве энергетических характеристик ветрового потока (хv) принимаются среднесуточная мощность ветрового потока и скорость ветра, обеспечивающая ее.

Мощность ветрового потока, осредненную за заданное время, представляется в виде удельного показателя

, Вт/м2, (35)

где повторяемость i-й скорости ветра.

Скорость ветра, обеспечивающая среднесуточную мощность:

, м/с, (36)

рассматривается как энергетическая характеристика ветрового потока. Она отличается от средней скорости ветра, и в условиях Южного Урала установлена зависимость (рис. 6), которая удовлетворительно аппроксимируется уравнением

, м/с. (37)

Поступающая энергия ветрового потока носит случайный характер. Поэтому необходимо знать интегральную обеспеченность скорости ветра, обеспечивающей среднесуточную мощность р(vср.м).

В условиях Южного Урала для выравнивания эмпирических распределений скорости ветра использовано двухпараметрическое уравнение Вейбулла, определены параметры уравнения ( и ). Проверка успешности сглаживания эмпирического распределения показала на удовлетворительную сходимость.

Для исследования условий совместного поступления солнечной и ветровой энергии определены комплексные показатели, которые представлены в виде сочетания различных градаций двух элементов. На основе данных синхронных наблюдений за продолжительностью солнечного сияния и скоростью ветра составлено двумерное распределение.

Комплексные показатели солнечной и ветровой энергии в условиях Южного Урала показали, что между отдельными интервалами изучаемых величин связь слабая и характеризует их независимость. Однако исследования условной и безусловной повторяемости скорости ветра показали на их отличие p(v)p(v/S), что указывает на наличие статистической связи между энергетическими характеристиками ВИЭ.

Для исследования статистической связи энергетические характеристики ВИЭ были приведены к среднемесячным значениям. Установлена зависимость (рис. 7), которая удовлетворительно аппроксимируется уравнением

. (38)

Скорость ветра, которая обеспечивает среднесуточную мощность ветрового потока в дни с продолжительностью солнечного сияния S, ожидается с определенной вероятностью. Вероятность одновременного появления энергетических характеристик ВИЭ в течение расчетного периода

. (39)

Применение суточных показателей энергетических характеристик ВИЭ составляет основу единой методики в проектировании гелио- и ветроэнергетических установок. Это важно, когда исследуются условия работы ГЭУ, ВЭУ и комплекса ГВЭУ.

В пятой главе «Исследование режимов функционирования гелио- и ветроэнергетических установок» рассмотрены принципы преобразования возобновляемой энергии, и на основе энергетических характеристик ВИЭ исследованы условия выработки ГЭУ, ВЭУ и ГВЭУ. Приведены математические модели для определения вырабатываемой энергии от ГЭУ и ВЭУ, результаты экспериментальных исследований и влияние основных параметров энергоустановки на выработку энергии.

Солнечная энергия наиболее широко используется для горячего водоснабжения и отопления здания. Для преобразования солнечной энергии в тепло применяются солнечные коллекторы.

Дневная теплопроизводительность ГЭУ определяется количеством аккумулированной энергии. Тогда дневную выработку ГЭУ с удельной площади СК, когда солнечное сияние (S) за время работы установки ожидается непрерывно, можно представить как

(40)

где FR – коэффициент эффективности; R – коэффициент, учитывающий угол наклона СК; – приведенная поглощательная способность; UL – коэффициент тепловых потерь; Тб, То – среднедневная температура теплоносителя в баке-аккумуляторе и окружающей среды соответственно.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность предлагаемой модели (рис. 8).

Успешное функционирование ВЭУ зависит от ветровых режимов местности и соответствующих им параметров энергоустановки. Во время работы установки используется только часть энергии ветра, и вырабатываемая мощность зависит от базовой скорости ветра для ВЭУ: минимальной vo, рабочей vp и максимальной vm.

Выработку с удельной ометаемой площади ветроколеса (ВК) ВЭУ можно определить по среднесуточной мощности

, (41)

где – постоянная величина для ВЭУ, учитывающая коэффициент использования энергии ветра, КПД ветроустановки, высоту расположения ветроколеса.

Тогда ожидаемая выработка энергии от ВЭУ за время Т

. (42)

Результаты, полученные по предложенной методике, сравнивались с экспериментальными данными (рис. 9). Различие между теоретическими и экспериментальными данными составляет не более 10%.

Экспериментальные исследования по совместному использованию солнечной и ветровой энергии позволили установить возможность использования ГВЭУ в условиях Южного Урала (рис. 10). В ходе эксперимента ГВЭУ в среднем обеспечивала потребность на 60 - 70%.

На условия энергообеспечения также влияет угол наклона ГЭУ. В системе солнечного теплоснабжения угол наклона ГЭУ принимается постоянной на весь расчетный период. Для максимального энергообеспечения необходимо оптимизировать угол наклона ГЭУ.

ВЭУ использует только часть потенциальной энергии ветра, и доля ее зависит в основном от vo и vp. Для выработки электроэнергии требуемого качества необходимо выбрать ВЭУ с соответствующей рабочей скоростью; для теплоснабжения потребителей базовые скорости ветра для ВЭУ рекомендуется принимать из условия

. (43)

Проведенные исследования показали, что для эффективного энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей необходимо согласованные действия всех источников энергии в системе энергоснабжения. При этом важно максимальное использование поступающей возобновляемой энергии и рациональное сочетание потребляемых энергоресурсов.

В шестой главе «Разработка технических решений по эффективному использованию солнечной и ветровой энергии» приведены принципы разработки новых технических решений для эффективного использования солнечной и ветровой энергии в системе энергоснабжения путем согласованного действия традиционных и возобновляемых источников и результаты исследования на имитационной модели условий энергообеспечения и замещения потребной энергии от ВИЭ.

Для эффективного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей необходимо согласование режимов работы возобновляемых источников между собой и с переменной нагрузкой, а также условия работы возобновляемых и традиционных источников в системе комплексного энергоснабжения.

Проведенные исследования по совместному использованию солнечной и ветровой энергии показали на недоиспользование возобновляемой энергии до 15%, когда они поступают одновременно и имеют достаточный потенциал. Для максимального использования солнечной и ветровой энергии разработано устройство ГВЭУ согласующее действия возобновляемых источников.

Для рационального использования потребляемых энергоресурсов путем максимального использования солнечной и ветровой энергии и управления режимом работы дизельной электростанции в системе электро- и теплоснабжения разработана гелиоветродизельная установка.

Для расширения возможности ВЭУ путем согласования режимов работы источников разработана система энергоснабжения, которая также позволяет повысить надежность энергоснабжения и качество электроэнергии. Предложенные схемы предусматривают выработку качественной электроэнергии при скорости ветра, которая ожидается с наибольшей вероятностью.

Новизна разработанных технических и схемных решений защищена патентом РФ. Для эффективного использования ВИЭ в составе СКЭ необходимо определить оптимальные площади СК ГЭУ и ВК ВЭУ.

Для исследования условий использования солнечной и ветровой энергии в зависимости от параметров энергоустановки проведен эксперимент на имитационной модели. Имитационное моделирование воспроизводит алгоритм функционирования исследуемой подсистемы ВИЭ во времени.

По разработанной методике сначала проверена адекватность самой имитационной модели путем привлечения экспериментальных данных, полученных в условиях Южного Урала. Адекватность разработанной модели позволила исследовать режимы работы ГЭУ, ВЭУ и ГВЭУ в условиях, не охваченных реальными экспериментами.

Во время эксперимента исследовались условия работы ГЭУ и ВЭУ в течение расчетного периода при различной площади СК и ВК. Исследование условий энергообеспечения в зависимости от площади СК и ВК позволило проверить адекватность предложенной методики расчета коэффициента Коб (рис. 11). Сравнительный анализ приведенных данных показывает на хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных.

Исследование влияния угла наклона на коэффициент энергообеспечения показало, что для достижения максимального среднегодового значения Коб = 0,7 рекомендуется угол наклона ГЭУ - 600, близкий широте местности . Для сезонных потребителей Коб.m = 1, и рекомендуемый угол наклона меньше, чем

широта местности, и = – 150.

Результаты исследования показали, что в условиях Южного Урала ожидаемая доля замещаемой энергии от ГЭУ колеблется в пределах 10 – 85%, от ВЭУ (II и III ветровая зона) – 30 – 45% (рис. 12). Наблюдается расхождение между опытными и теоретическими данными. Теоретически доля замещения получается как гарантированная величина. В действительности превышение замещаемой энергии составляет 30 – 40%.

Тогда коэффициент замещения ГЭУ и ВЭУ

; , (44)

где Кf – поправочный коэффициент, среднее значение которого 1,3 – 1,4.

Для исследования условий совместного использования ГЭУ и ВЭУ проведен вычислительный эксперимент с учетом условной повторяемости скорости ветра. На рисунках 13 и 14 приведены результаты исследований.

Во время эксперимента определена доля ГЭУ и ВЭУ в составе комплекса. На Южном Урале в летние месяцы доля замещаемой энергии от ГЭУ может превышать долю от ВЭУ примерно в два раза. От ВЭУ с ноября по март ожидается больше энергии, чем от ГЭУ.

Доля замещаемой энергии изменяется в пределах от 40 до 95% и среднее значение ее составляет около 70%. Имеет ярко выраженный годовой ход из-за существенного влияния солнечной энергии. Анализ опытных и теоретических данных показывает на их удовлетворительную сходимость.

В течение года ГВЭУ может замещать до 75% потребной энергии. При этом доля ГЭУ в составе комплекса может составить 40 – 45%, а доля ВЭУ – 30 – 35%. Для сезонных потребителей замещение потребной энергии от ГВЭУ может составить до 90%, в т. ч. на долю ГЭУ приходится 55 – 60%, а на долю ВЭУ – 25 – 35%.

В целом доля замещаемой энергии при совместном использовании ГЭУ и ВЭУ больше на 20 – 25%, чем при их раздельном использовании. При этом ГЭУ и ВЭУ недоиспользуются примерно на 10 – 15%.

В седьмой главе «Технико-экономическое обоснование системы комплексного энергоснабжения с использованием солнечной и ветровой энергии» рассмотрены экономические показатели СКЭ и методы их определения, приведены результаты исследования целевой функции и метод расчета оптимальной площади СК ГЭУ и ВК ВЭУ.

Экономический эффект в подсистеме ВИЭ ожидается в результате дохода от сэкономленного топлива, за вычетом издержек на ее эксплуатацию, приведенных к удельной площади СК или ВК (Зв.уд)

. (45)

Капиталовложение на использование ВИЭ, как и ожидаемый экономический эффект, зависит от площади СК или ВК (Ав). Срок окупаемости капиталовложений

. (46)

Ежегодные затраты на использование ВИЭ можно представить через капиталовложения на удельную площадь СК или ВК

, (47)

где иВ – суммарное отчисление от капиталовложения на энергоустановку в годовой эксплуатационный расход, включая потери энергии при передаче; в– коэффициент, учитывающий затраты на строительно-монтажные работы и дополнительное оборудование.

Тогда себестоимость полезной энергии, вырабатываемой ГЭУ или ВЭУ,

. (48)

Таким образом, сравнительный экономический эффект зависит от площади СК и ВК. Однако выбор площади СК или ВК должен быть подчинен конечной цели, когда ожидаются минимальные затраты на энергию от СКЭ.

Для исследования целевой функции на экстремум представим ее в общем виде независимо, что используется, ГЭУ или ВЭУ:

, (49)

или

. (50)

Минимум стоимости энергии и оптимальное значение опт будут иметь место, когда первая производная равна нулю, а вторая – положительная. Продифференцировав выражение

, (51)

и после преобразований находим оптимальную величину

. (52)

Вторая производная больше нуля для всех значений , поэтому нами получено условие минимума стоимости энергии от СКЭ.

Тогда оптимальная площадь СК ГЭУ или ВК ВЭУ

. (53)

Полученное выражение учитывает целый комплекс факторов. Оптимальная площадь СК или ВК зависит от капиталовложений на использование ВИЭ, стоимости замещаемой традиционной энергии, количества потребной энергии и выработки ГЭУ или ВЭУ с учетом случайного характера поступающей возобновляемой энергии.

Положительный эффект от ВИЭ ожидается, когда

. (54)

Для этого необходимо выполнение условий

. (55)

При известных удельных затратах на традиционную энергию можно определить допустимые капиталовложения, когда подсистема ВИЭ в составе СКЭ окупается в течение срока службы

. (56)

Энергоустановка с заданными капиталовложениями окупается в течение срока службы, если удельные затраты на традиционную энергию составят

. (57)

По изложенной методике в условиях Южного Урала исследованы технико-экономические показатели ГЭУ и ВЭУ и оптимальные площади СК и ВК при различных значениях Куд и ст (рис. 15).

Проведенные исследования показали, что при ст= 2 руб./кВт.ч для ГЭУ с выработкой за расчетный период 300 кВт ч/м2 допускается Куд 1220 руб./м2.

В ходе исследования установлено, что при выработке с удельной площади 1 кВт.ч энергии и ст = 1 руб./кВт.ч допускаются:

для ГЭУ - Куд

При проектировании системы энергоснабжения не всегда можно подобрать СК и ВК, площади которых в точности соответствовали бы предложенным оптимальным значениям. В связи с этим исследовано влияние отклонений площади СК и ВК на стоимость энергии от СКЭ.

На рисунке 16 представлена функция прироста стоимости энергии при отклонении площади СК или ВК от оптимального значения . Анализ данных показывает, что, когда , не отмечается существенного прироста стоимости энергии и можно выбрать ближайшую к расчетному значению стандартную площадь СК ГЭУ или ВК ВЭУ. При дальнейших отклонениях площади происходит прирост стоимости энергии и рекомендуется выбирать ближайшую, наибольшую к расчетному значению, стандартную площадь.

По результатам проведенных исследований, для специалистов энергослужбы предприятий АПК, научно-исследовательских и проектных организаций разработаны рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов. В рекомендации приведены методика определения оптимальных параметров ГЭУ и ВЭУ и доли замещаемой энергии от ВИЭ, а также пример рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в условиях Челябинской области.

В условиях Южного Урала ГЭУ рекомендуется использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей, когда за счет рационального сочетания возобновляемых (60%) и традиционных (40%) энергоресурсов ожидается снижение затрат на энергоснабжение до 30%. Для энергообеспечения потребителей в течение года рекомендуется использовать ВЭУ совместно с ГЭУ, при этом можно снизить затраты на 25% путем рационального сочетания традиционных (45%) и возобновляемых (55%) энергоресурсов.

Основные выводы