Джайлани Автономные системы электроснабжения фермерских хозяйств Египта с использованием возобновляемых источников

Зависимость потребности в топливе для ЖТЭ от нагрузки выражается:

, (17)

где: F - потребность в топливе, л/ч; Ржтэ - мощность ЖТЭ, кВт; - расход, топлива в режиме холостого хода, л/ч; - удельный расход топлива, л/кВт.ч;

Аккумуляторная батарея (АБ) рассматривается как источник. Определение энергии, запасенной в АБ во время зарядки и разрядки:

1. Во время зарядки, когда выработка электроэнергии от СФЭУ и ВЭУ больше, чем энергия, запасённая в АБ:

, (18)

2. Во время разрядки, когда общее потребление превышает производство электроэнергии СФЭУ и ВЭУ, электроэнергия АБ определяется следующим образом:

, (19)

где: (t) и (t -1) - электроэнергия в АБ (Вт.ч) при времени t и (t–1), ч; - КПД АБ во время зарядки; - КПД АБ во время разрядки; - коэффициент саморазряда АБ; - выработка электроэнергии от СФЭУ в конце периода t, Вт.ч; - выработка электроэнергии от ВЭУ в конце периода t, Вт.ч; - общее потребление в период t; инв - КПД инвертора; - шаг времени, ч.

Мощность ВЭУ PВЭУ должно быть моделироваться в зависимости от её мощностных характеристик следующим образом:

, (20)

где: v- скорость ветра на высоте флюгера, м/с; v1 - расчетная скорость ветра, м/с; a1, a2, a3, a4, b1, b2, b3 и b4 - константы.

Скорость ветра (v) на высоте (h) (высота ВЭУ на месте испытания) отличается от скорости ветра на (vo) высоте (hо), на которой производились измерения:

, (21)

где: – скорость ветра на высоте ветроагрегата ; - измеряемая скорость ветра на высоте анемометра . m- Для условий континентальной России, Главная Геофизическая Обсерватория им. Воейкова реко­мендует использовать степенной коэффициент m = 0,20.

Для достижения оптимальной конфигурации комбинированных электростанций былa разработанa модель расчета в зависимости от известного научно-технического подхода, определяющегося вероятность дефицита электроснабжения (рис. 1).

Рис. 1. Математический алгоритм оптимизация подбора оборудований Комб.ЭС

Метод состоит из следующих процедур расчета:

Общая выработка электроэнергии Комб.ЭС определяется:

E Комб.ЭС (t) = EСФЭУ(t) + Eвэу(t), (22)

Неиспользуемая электроэнергия () определяется следующим образом:

, (23)

где: - исходная электроэнергия инвертора:

, (24)

Дефицит электроснабжения за шаг времени можно рассчитать:

, (25)

Вероятность дефицита электроснабжения () может быть определена отношением:

, (26)

Для анализа Комб.ЭС можно использовать две концепции:

1. коэффициент обеспеченности электроснабжения потребителей ( ):

, (27)

2. коэффициент неиспользуемой электроэнергии (:

, (28)

Для данной величины Коб. в течение определенного периода может удовлетворять необходимые требования к надежности энергоснабжения, и оптимальная конфигурация будет получена путем достижения низкой стоимости 1кВт.ч.

Расчет стоимости электроэнергии определяется следующим способом:

, (29)

где: - стоимость электроэнергии, денежных единиц/кВт.ч; - общие годовые капиталовложения, денежных единиц /год;

В третьей главе определено потребление электроэнергии, существующего в домах крестьян в новых сельских районах в Египте, на севере Египта западнее Александрии, Южнее долины и Севернее Сайнайя. Установлено что минимальное потребление автономного сельского дома составляет 2,8 кВт.ч/сутки.

Разработана блок-схема и алгоритм работы комбинированной электростанции (рис. 2)

В зависимости от результатов испытании оборудования, составляющего Комб.ЭС, установлено, что:

1. При исследовании характеристик СФЭУ в условиях г. Истры было замечено, что как и в других областях России, рабочий ток редко достигает пикового значения. На Истринском ветрополигоне измерения напряжения и тока заряда от фотоэлектрической установки СФЭУ-120-48 проводились в течение большей части светового дня: с 9 утра до 18 часов в течение трёх дней; 10, 12 и 14 июля

Рис.2. Блок-схема и алгоритм работы система электроснабжения автономного потребителя

2009 года, когда большая часть дня была солнечной и также от СФЭУ-360-48 в течение трёх дней; 19, 21 и 23 июля 2009 года (рис. 3). Установлено, что максимальная экспериментальная выработка мощности СФЭУ-120-48 равна 112,5 Вт при токе зарядке 1,94 А.ч, а выработка мощности СФЭУ-360-48 равна 258,9 Вт при токе зарядке 4,48 А.ч.

2. Зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра (рис. 4):

(30)

Рис. 3. Ток заряда АБ при максимальной солнечной радиации Е~ 700 Вт/м2 (UАБ = 50,80–58 В)	Рис. 4. Результаты испытаний ВЭУ УВЭ-700.

3. Емкость АБ определяется следующим уравнением:

, (31)

4. Зависимость расхода топлива от мощности ДГ определяется уравнением:

, (32)

5. Зависимость расхода топлива от мощности БГ определяется уравнением:

, (33)

Оптимизация подбора необходимого оборудования для Комб.ЭС на базе ВИЭ (ветра и солнца) проведена в зависимости от климатических условий для ветрополигоне ВИЭСХ в г. Истра.

При моделировании учитывали несколько вариантов в зависимости от мощности СФЭУ, емкости АБ и изменения высоты ВЭУ (рис. 5, 6, 7). Установлено, что:

1. Коэффициент обеспеченности электроснабжения Коб увеличивается при увеличении емкости АБ и мощности СФЭУ. при увеличении мощности СФЭУ от 360 Вт до 480 Вт стоимость 1 кВт.ч электроэнергии не изменяется. Минимальная стоимость 1 кВт.ч достигается при емкости АБ 220 А.ч и 400 А.ч, однако Коб гораздо выше. Эти результаты получаются при увеличении высоты ВЭУ до 15 м с увеличением Коб при высоте 15 м. Следовательно, использование АБ емкостью 400 Ач является приемлемым вариантом, хотя при этом Коб не достигает максимального значения.
2. Стоимость 1 кВт.ч возрастет при увеличении высоты ВЭУ, а при изменении мощности СФЭУ от 360 Вт по 480 Вт не изменяется. При емкости АБ 400 Ач и при увеличении мощности СФЭУ стоимость 1 кВт.ч уменьшается постепенно до минимального значения, затем возрастет. Стоимость 1 кВт.ч при высоте ВЭУ 15 м меньше, чем при высоте ВЭУ 10 м для уровня мощности СФЭУ 240 Вт.

Рис. 5. Влияние увеличения емкости АБ и мощности СФЭУ на Коб и стоимости 1кВт.ч электроэнергии при использовании УВЭ-700 на высоте 10 м
Рис. 6. Влияние увеличения емкости АБ и мощности СФЭУ на Коб и стоимости 1кВт.ч электроэнергии при использовании УВЭ-700 на высоте 15 м

Рис. 7. Результаты оптимизации подбора оборудования Комб.ЭС

при емкости АБ 400 А.ч

Минимальная стоимость 1 кВт.ч имеет место при высоте ВЭУ 10 м.

Таким образом, Комб.ЭС мощностью 1180 Вт, которая состоит из СФЭУ мощностью 480 Вт, АБ емкостью 400 А.ч и ВЭУ мощностью 700 Вт, установленной на высоте 10 м и Комб.ЭС мощностью 1060 Вт, которая состоит из СФЭУ мощностью 360 Вт, АБ емкостью 400 А.ч и ВЭУ мощностью 700 Вт, установленной на высоте 15 м, являются лучшими вариантами с коэффициентами обеспеченности электроснабжения 81% - 85%. для климатических условий места испытания на ветрополигоне ВИЭСХ в г. Истра.

Экспериментальная работа Комб.ЭС на ветрополигоне ВИЭСХ включает:

1. Исследование работы Комб.ЭС для обеспечения электроснабжения во время отсутствия ветра. Установлено, что выработка энергия от СФЭУ составляет1485 Вт.ч/сутки в летний солнечный день, что покрывает 48% суточной потребности и 1051 Вт.ч/сутки в зимний день, т.е. покрывает 34% суточной потребности. А это значит, что ДГ должен покрывать 52 – 66% суточного электропотребления.
2. Исследование работы Комб.ЭС для обеспечения электроснабжения во время отсутствия Солнца. Установлено, что Средняя выработка электроэнергия от ВЭУ 1305 Вт.ч/сутки при скорости ветра 7,65 м/с. Максимальная мощность ВЭУ составила 218 Вт. Режим работы системы электроснабжения на основе ВЭУ не может обеспечивать электроснабжение сельского потребителя. выработка электроэнергии от ВЭУ составляет в 1305 Вт.ч/сутки, т.е. покрывает 43 % суточной потребности или 1172,2 Вт.ч/сутки, что покрывает 38 % суточной потребности. Это означает, что ДГ должен покрывать 57– 62% электроэнергии.
3. Исследование работы Комб.ЭС для обеспечения электроснабжения на основе СФЭУ и ВЭУ. Установлено, что предлагаемая Комб.ЭС мощностью 1060 Вт может обеспечивать электроснабжение при среднегодовой потребности до 1232 кВт.ч/г при Коб= 80%.

Предложена Солнечная установка с концентраторами, солнечного излучения для выработки электричества и тепла (рис. 8). Зависимость расчёта геометрического коэффициента концентрации ():

, (34)

где: R- радиус большей четвертей окружности; r- радиус меньшей четвертей окружности; h- высота приемника.

Высота цилиндрического приемника зависит от отношения R/r, в зависимости от этого определяется геометрический коэффициент концентрации (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость h от R/r и расчет геометрического коэффициента концентрации

R/r	3	4	5	6	7	8	9	10
h/r	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4
	5,3	6,3	7,2	8,2	9,1	10,1	11,1	12,1

Рис. 8. Солнечная установка с концентратором и ход лучей

В четвертой главе приведено технико-экономическое обоснование комбинированной электростанции.

В качестве базы сравнения и оптимизации было принято 2 варианта системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ (СФЭУ и ВЭУ) и ЖТЭ (ДГ или БГ). ДГ имеет электростартёр для автоматической работы при управлении от ББП в зависимости от состояния электроснабжения в системы. БГ малой мощности не имеет электростартёра. Результаты технико-экономических расчетов для систем электроснабжения можно сформулировать следующим образом:

1. При использовании ДГ или БГ в системах электроснабжения Коб составляет 100% и доля ВИЭ в производстве электроэнергии составляет 80% - 83%.
2. Стоимость 1 кВт.ч для первого варианта (Комб.ЭС -1180 Вт) меньше, чем для второго варианта (Комб.ЭС -1060 Вт) при использовании ДГ и БГ, а для каждого варианта стоимость 1 кВт.ч при использовании ДГ составляет меньшее, чем для ДГ.

Эти варианты показывают высокую эффективность использования ВИЭ с целью экономии жидкого топлива в комбинированной электростанции. Кроме того, на основании результатов расчета выработки электроэнергии можно гибко решать задачу оптимизации состава оборудования Комб.ЭС.

В климатических условиях Египта были приведены примеры перспективных сельскохозяйственных мест для использования Комб.ЭС на основе ВИЭ западнее Александрии, Южнее Долины и Севернее Сайная (рис. 9 и 10), в которых есть проблемы электроснабжения.

Результаты расчетов разработки системы показывают, что для трех сельских районов можно использовать Комб.ЭС средней мощностью 721 Вт, состоящей из СФЭУ 473Вт и ВЭУ 248 Вт, АБ емкостью 281 А.ч. Варианты ДГ и БГ будут использованы для повышения Коб до 100 %.

Установлено что, стоимость 1 кВт.ч электроэнергии составляет в пределах 3,32 до 3,88 /кВт.ч. Южнее Долины стоимость 1 кВт.ч дешевле, чем стоимость 1 кВт.ч Западнее Александрии и Севернее Сайнай благодаря большему участию ВИЭ в производстве электроэнергии, составляющей 99% и низкому участию ЖТЭ, составляющей 1%. При исключении ЖТЭ из системы Коб составляет 99,73% и вероятность дефицита электроснабжения Lдиф. составляет 0,27%. Следовательно, система мало зависит от ЖТЭ для гарантированного электроснабжения сельского потребителя.

Рис. 9. Расчет средних скоростей ветра в сельских районах на разных высотах	Рис. 10. Солнечная радиация в сельских районах