Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии

• уровень надежности энергообеспечения (вероятность энергоснабжения за заданный период) должен быть не менее требуемого потребителем;
• стоимость электроэнергии, получаемой от автономной электростанции на основе возобновляемых источников энергии, должна быть минимальной при соблюдении первого требования;
• автономные электростанции на основе возобновляемых источников энергии должны максимально экономить ископаемое углеводородное топливо, а в пределе исключить его использование для получения электроэнергии;
• автономные электростанции должны уменьшать отрицательное влияние на окружающую среду, в пределе полностью устранить такое влияние;
• автономные электростанции не должны ухудшать природный ландшафт местности и архитектору зданий и сооружений;
• электростанции на основе возобновляемых источников энергии должны быть безопасными в эксплуатации;
• автономные электростанции должны максимально использовать потенциальные возможности существующих в данном регионе возобновляемых источников энергии.

Основными требованиями к автономным электростанциям, использующим энергию возобновляемых источников, являются первые два, которые определяют возможность выполнения остальных требований. Эти требования связаны и с основными (определяющими) параметрами автономной электростанции (площадью ФЭП, конструкцией концентраторов и системой слежения, рабочей скоростью ветра, типом и размерами ветроэнергетической установки, мощностью резервной электростанции, емкостью аккумуляторов энергии).

Как следует из изложенных требований к автономной электростанции, работающей на ВИЭ, в качестве критерия оптимальности может использоваться стоимость вырабатываемой электроэнергии или стоимость автономной электростанции. Параметры автономной электростанции на основе ВИЭ определяются, как параметры подсистемы автономного электроснабжения. В этой связи параметры автономной электростанции должны определяться с учетом влияния возмущающих воздействий со стороны смежных подсистем энергетической системы и с учетом особенностей преобразования энергии возобновляемых источников.

Для автономного электроснабжения на основе использования энергии солнечного излучения наиболее приемлемыми являются фотоэлектрические преобразователи, которые могут иметь фиксированный или следящий фотоприемник без концентратора или с концентратором солнечного излучения. Кроме того, они могут отличаться типом концентратора и точностью системы слежения. Стоимость концентраторов и систем слежения соизмеримы. Это обусловило задачу отыскания наиболее эффективного варианта автономной солнечной электростанции.

целевую функцию в рамках поставленной задачи можно представить в следующем виде:

, (9)

где СК, ССЛ, СФЭП – соответственно стоимость концентраторов, системы слежения и батареи ФЭП, руб.; W – вырабатываемая за фиксированный период электроэнергия, кВт.ч.

Стоимость концентраторов практически не зависит от главного угла (предельного угла попадания лучей света), а зависит только от их типа. Стоимость системы слежения можно принять пропорциональной суточному количеству шагов наведения. Стоимость фотоэлектрических преобразователей пропорциональна их площади. Если принять площадь батареи фотоэлектрических преобразователей для всех вариантов одинаковой, например, равной 1 м2, то из целевой функции (9) можно исключить последнее слагаемое, но при этом будет различно количество вырабатываемой энергии, так как параболические концентраторы способны собирать и часть рассеянного солнечного излучения.

Вырабатываемая солнечной электростанцией энергия может быть определена по формуле:

, (10)

Или переходя от интегрирования к дискретному суммированию (что соответствует метеорологическим данным) получаем:

w = (NCjCjtj). (11)

Здесь NCj – интенсивность солнечного излучения в фокусирующей плоскости, Вт/м2; Cj – к.п.д. батареи ФЭП при j-той интенсивности; tj – продолжительность периода с j-той интенсивностью, час; w – электроэнергия, получаемая с единичной площади батареи фотоэлектрических преобразователей, Вт.ч/м2.

С учетом особенностей концентраторов расчетным путем получено, что параболические концентраторы с апреля по октябрь позволяют получить с 1м2 фотоэлектрических преобразователей 3650 Вт.ч электроэнергии постоянного тока, в то время, как концентраторы первого порядка 2900 Вт.ч. То есть, применение параболических концентраторов позволяет получить на 26% больше электроэнергии постоянного тока.

Однако, учитывая возможные ошибки, обусловленные влиянием местного перегрева ФЭП при концентрировании рассеянного солнечного излучения, был проведен сравнительный эксперимент, в ходе которого были определены энергетические характеристики альтернативных систем концентрирования и слежения. В результате эксперимента было установлено, что применение концентраторов первого порядка позволяет получить за летний (наиболее эффективный) период 2050 Вт.ч, а применение концентраторов второго порядка 2370 Вт.ч. То есть, тенденция увеличения сохраняется, но прибавка составляет только 16%. Выигрыш в стоимости электроэнергии при этом находится в интервале 35 – 3%. Учет стоимости батарей фотоэлектрических преобразователей и аккумуляторов (собственно стоимости солнечной электростанции) снижает экономию в 2 – 5 раз, то есть переводит экономию в разряд незначительной. Таким образом, системы концентрирования с этой точки зрения практически равнозначны.

Но так как концентраторы первого порядка требуют практически непрерывного перемещения, их применение влечет значительное увеличение потребления электроэнергии на привод системы слежения. В некоторых случаях расход электроэнергии на привод системы слежения может быть соизмерим с электроэнергией, потребляемой полезными электроприемниками. Для более точной оценки эффективности конкурирующих систем было учтено потребление электроэнергии системой слежения и влияние угла рассогласования на работу фотоэлектрического преобразователя.

Концентраторы первого порядка не допускают увеличения угла рассогласования более двух градусов. При изменении азимутального угла Солнца в диапазоне – 90о... +90о условием, определяющим эффективность системы слежения, будет:

, (12)

где , – мощность солнечной электростанции с системой слежения и с фиксированными ФЭП соответственно, Вт; t – время работы солнечной электростанции, час.; – допустимый угол рассогласования, град.; WСС – энергия, потребляемая системой слежения при однократном повороте, Вт.ч.

С учетом времени прохождения солнечным диском угла в 2 градуса, энергия, потребляемая системой слежения за сутки составляет 8,5 Вт.ч. Интегральная энергия солнечной электростанции определяется графиками гарантированного солнечного излучения, и приведена в таблице 2.

Расчеты показали, что применение системы слежения в комплексе с концентраторами солнечного излучения оправдано в летние месяцы. В весенние месяцы эффект от системы слежения незначительный, в пределах возможной ошибки, а в осенние месяцы система слежения не эффективна.

Таблица 2 – Энергия вырабатываемая модулем солнечной

электростанции 0,1м2

Период	Вырабатываемая энергия, Вт.час
	При следящем модуле ФЭП	При фиксированном модуле ФЭП
15.04	41	28
15.07	65	39
15.10	28	21

При работе системы слежения в комплексе с концентраторами второго порядка число шагов наведения может быть уменьшено, что уменьшает энергозатраты. Однако остается задача оптимизации числа шагов слежения.

Для исследования эффективности системы слежения была использована эмпирическая зависимость, полученная экспериментально на концентраторе параболоцилиндрического типа с углом раскрытия 30о и коэффициентом концентрации 8,7.

ФЭП = НОМ – 0,0012 (13)

Здесь НОМ – номинальный к.п.д. ФЭП.

Тогда условие (12) приобретает следующий вид:

(14)

где – интенсивность солнечного излучения, Вт/м2; FФЭП – площадь модуля ФЭП, м2.

Максимальная эффективность будет иметь место при максимальном значении левой части (14), которое определяется углом рассогласования . Первая производная левой части по углу рассогласования имеет вид:

, (15)

где – плотность энергии солнечного излучения при слежении за Солнцем, Вт.ч/м2.

На рисунке 9 показан график изменения вырабатываемой солнечной электростанцией полезной энергии, из которого следует, что оптимальным углом рассогласования будет угол = 15о. Учитывая симметрию зависимости вырабатываемой энергии, оптимальный угловой шаг наведения составляет 2 и равен углу раскрытия концентратора второго порядка.

На основании проведенных исследований можно заключить, что системы слежения с концентраторами первого порядка эффективны только в летнее время. Угловой шаг наведения систем слежения периодического действия должен быть равен углу раскрытия параболоцилиндрического концентратора. При таком шаге системы слежения эффективны в любое время года и превышают эффективность непрерывных систем слежения.

Рисунок 9 – Функция полезно преобразуемой энергии

Минимально возможную площадь батареи ФЭП можно определить из нестрогого неравенства:

(NСj FФ Ф – N1j) t1j A = (N2i – NСi FФ Ф) t2i. (16)

Здесь: NС – удельная мощность солнечного излучения, Вт/м2; FФ – площадь батареи ФЭП, м2; Ф – к.п.д. батареи ФЭП, N – мощность потребителя, Вт. Левая часть (16) дефицит энергии, правая часть (16) – избыток энергии в соответствующие периоды.

Уравнение (16) относительно площади батареи фотоэлектрических преобразователей решается графически. Определенная таким образом площадь батареи фотоэлектрических преобразователей будет достаточной для зарядки аккумуляторов и питания нагрузки с заданной вероятностью энергообеспечения в течение расчетного периода. Емкость аккумуляторов при этом можно определить из соотношения:

, (17)

где СА – емкость аккумуляторной батареи, А.ч.; UН – номинальное напряжение потребителя, В.

Для оптимизации параметров автономной электростанции на базе ветроустановки пропеллерного типа в качестве критерия оптимальности принята ее стоимость. Приняв реальное допущение, что стоимость ветроэнергетической установки пропорциональна площади, ометаемой ветроколесом, а стоимость аккумуляторов пропорциональна их емкости, целевую функцию можно записать в следующем виде:

, (18)

где NР – расчетная нагрузка, Вт; kB – удельная стоимость ВУ, руб/м2; kA – удельная стоимость аккумулятора, руб/А.ч.

Реализация целевой функции в качестве примера для условий Ростовской области показала, что оптимальное значение рабочей скорости ветра равно 5,5 – 6,5 м/с. Анализируя формулу целевой функции (18), можно заметить, что стоимость автономной системы электроснабжения на базе ветроэнергетической установки пропеллерного типа пропорциональна среднесуточной мощности электрической нагрузки, но при этом оптимальная рабочая скорость ветроэнергетической установки не зависит от мощности нагрузки.

Исследования зависимости стоимости автономной системы электроснабжения фермерского хозяйства от рабочей скорости ветра позволяет сделать вывод, что при увеличении удельной стоимости ветроустановки оптимальная рабочая скорость незначительно увеличивается, а при увеличении удельной стоимости аккумуляторов – уменьшается (рисунок 10).

Такая низкая чувствительность оптимального значения рабочей скорости ветра к изменению цен доказывает высокую стабильность полученных результатов, что в свою очередь позволило сформулировать агрозоотехнические требования к автономным системам электроснабжения на основе ветроэнергетических установок.

Оптимизация параметров ветроустановки роторного типа проводилась исходя из следующих соображений.

При увеличении ометаемой площади ветроколеса растет мощность ветроустановки. Следовательно, ветроустановка больших размеров будет обеспечивать избыточную мощность при меньших скоростях ветра, то есть, возможность зарядки аккумуляторов появится при меньшей скорости ветра. А так как продолжительность периодов со скоростью ветра меньше заданной сокращается с уменьшением скорости, то время работы аккумуляторов будет уменьшаться при увеличении ометаемой площади ветроколеса. Таким образом, увеличение размеров ветроустановки приводит к увеличению ее стоимости, но при этом снижается требуемая емкость аккумуляторов и соответственно их стоимость. При этом можно ожидать, что при определенном сочетании этих параметров, стоимость всей системы автономной электростанции на основе ветроустановки роторного типа будет минимально возможной для электроснабжения потребителя заданной мощности.

1 – исходный вариант, 2 – увеличение удельной стоимости аккумуляторов в 2 раза, 3 – увеличение удельной стоимости ветроустановки в 2 раза.

Рисунок 10 – Чувствительность оптимальной скорости к изменению удельных показателей элементов системы

Целевая функция при прежних допущениях принимает вид:

. (19)

Реализация полученной целевой функции для условий Ростовской области показана на рисунке 11.

Как следует из графика функции, оптимальная рабочая скорость ветра имеет те же значения, что и для ветроустановки пропеллерного типа.

При совместном использовании ветроэнергетической установки с автономной топливной электростанцией первая используется как дублирующий источник энергии.

Так как стоимость топливной электростанции зависит только от нагрузки и не изменяется в зависимости от стоимости ветроэнергетической установки и топлива, то целевую функцию можно представить в следующем виде:

S = kB F - min, (20)

где NН – номинальная мощность топливной электростанции, Вт; vj – j-тое значение скорости ветра, м/с, q – теплотворная способность топлива, Дж/кг.

1 – стоимость аккумуляторной батареи, 2 – стоимость роторной ветроустановки, 3 – стоимость автономного энергетического комплекса.

Рисунок 11 – Оптимизация рабочей скорости роторной ветроустановки

Реализация целевой функции показала, что оптимальное значение рабочей скорости ветра находится в интервале 11 – 12 м/с. Этот результат несколько превышает известные рекомендации по выбору рабочей скорости ветроустановки, работающей параллельно с системой электроснабжения (vP = 1,5vСР). Это можно объяснить тем, что при работе ветроустановок параллельно с централизованной системой электроснабжения они располагаются в разных климатических зонах, и взаимно компенсируют недостаток энергии ветра.

При совместном использовании ветроэнергетической установки и солнечной электростанции, обеспечить заданную надежность энергообеспечения можно только путем включения в автономную систему электроснабжения аккумуляторов энергии. При этом, учитывая высокую стоимость фотоэлектрических преобразователей, такое комплектование может быть оправдано только в том случае, если будет уменьшена стоимость всей системы. Из этого следует условие совместного использования ветроэнергетической и фотоэлектрической установок:

SВ0 + SA0 SB1 +SA1 + SC1, (21)

где: SВ0, SA0, – стоимость ветроэнергетической установки и аккумуляторов без использования солнечной электростанции, руб; SB1, SA1 – стоимость ветроэнергетической установки и аккумуляторов при совместном использовании с фотоэлектрической установкой, руб; SC1 – стоимость солнечной электростанции, руб.

Баланс энергии при совместном использовании ветровой и солнечной электростанции можно записать следующим образом:

(0,5FBvP3BtB + NCFФФtC1 – NHtB + NCFФФtC2)A = NH(tA – tC2), (22)

где: NC – удельная мощность солнечного излучения, Вт/м2.

Как следует из полученных результатов (таблица 3), минимальная ометаемая площадь ветроколеса соответствует более высокой рабочей скорости ветра (8 м/с). Это полностью соответствует выше высказанным предположениям и объясняется тем, что штилевой период частично перекрывается периодом поступления энергии солнечного излучения, что равносильно уменьшению периода работы аккумуляторов.

Таблица 3 – Предельная ометаемая площадь ветроколеса, удовлетворяющая уравнению (22)

Рабочая скорость	Ометаемая площадь ветроколеса при площади ФЭП, м2
ветра, м/с	10	20	30	40	50	60
4 6 8 10 12 14 16	43,3 18,1 13,7 19,6 23,7 31,6 73,0	35,9 15,0 11,4 16,1 19,6 26,1 60,4	28,6 11,9 9,0 12,9 15,6 20,7 47,9	20,9 8,7 6,6 9,4 11,4 15,6 35,3	13,4 5,6 4,3 6,0 7,4 9,9 22,7	6,0 2,6 2,0 2,7 3,3 4,4 10,1