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

30

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

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

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Шерьязов Сакен Койшыбаевич

Красноярск - 2011

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Сельское хозяйство, определяющее продовольственную безопасность страны, относится к числу энергоемких отраслей. Ограниченные запасы органического топлива и непрерывный рост затрат на их использование требуют поиска путей рационального использования энергетических ресурсов. Одним из путей является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Экономический потенциал возобновляемых источников велик, и их доля в мировом энергопотреблении может составить 10-12%. В России экономический потенциал возобновляемой энергии составляет около 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов, что является благоприятным условием для решения энергетических проблем.

Из числа ВИЭ наиболее перспективными по признаку доступности потребителям являются использование солнечной и ветровой энергии. В мире действует большой парк гелио- и ветроэнергетических установок (ГЭУ, ВЭУ) с суммарной мощностью более 200 ГВт. В России, по разным причинам, использование ГЭУ и ВЭУ весьма незначительно.

Таким образом, существует экономико-хозяйственная проблема в объективной необходимости использования ВИЭ в сельскохозяйственном производстве. Её интерпретация в научно-техническую область требует решения двух проблем: определение условий эффективного использования возобновляемых источников и создание эффективных схем совместного использования традиционных и возобновляемых источников для рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения.

Анализ систем энергоснабжения в сельском хозяйстве показывает, что ВИЭ, как правило, рассматривается как дополнительный источник. Тогда система энергоснабжения с использованием ВИЭ должна иметь научно обоснованную структуру для рационального использования энергоресурсов.

Рациональное сочетание потребляемых энергоресурсов может быть определено на стадии проектирования системы энергоснабжения. Однако недостаточная проработка методологических основ и общих методических положений в проектировании энергосистемы с использованием ВИЭ не позволяет выбрать рациональное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов.

В условиях развитой гелио- и ветротехники наиболее актуальными становятся вопросы эффективного их использования путем согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии. Отсутствие научно обоснованных показателей и методов их оценки не позволяют определить условия эффективного использования ВИЭ в системе энергоснабжения.

Настоящая работа посвящена решению научной проблемы теоретического обоснования рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов для эффективного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с учетом потенциала солнечной и ветровой энергии на примере Челябинской области, позволяющих решать задачи структурной оптимизации комбинированной системы энергоснабжения конкретного сельскохозяйственного потребителя.

Работа выполнена в соответствий с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг. «Технологии, оборудование и проекты энергетического, тепло- и хладообеспечения сельского хозяйства, в том числе с использованием солнечной и ветровой энергии», принятой Межведомственным координационным советом РАСХН.

Цель работы. Разработка методологии рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей для снижения затрат на потребляемую энергию.

Объект исследования. Комбинированная система энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием гелио- и ветроэнергетических установок.

Предмет исследования. Взаимосвязи функционирования гелио- и ветроэнергетических установок в комбинированной системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:

1. Провести анализ состояния энергоснабжения в сельском хозяйстве и разработать методологию выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

2. Разработать показатели и методы оценки использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения путем согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии.

3. Определить энергетические характеристики возобновляемых источников и условия функционирования гелио- и ветроэнергетических установок при раздельном и совместном использовании солнечной и ветровой энергии.

4. Разработать технические решения для согласованного действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения и исследовать режимы их работы путем имитационного моделирования.

5. На основе технико-экономических показателей системы энергоснабжения обосновать оптимальные параметры гелио- и ветроэнергетических установок и условия эффективного энергообеспечения потребителей от ВИЭ.

6. Разработать рекомендации по выбору рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей (на примере Челябинской области).

Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований является системный подход к анализу комплексной схемы энергоснабжения. В работе использованы основные положения теоретической электротехники и теплотехники, электро- и теплоснабжения сельского хозяйства, теории вероятностей и математической статистики, а также методы математического моделирования процессов в системе энергоснабжения, использующей возобновляемые источники, и оптимизации параметров системы.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждаются: применением и адекватностью математических аппаратов при моделировании режимов работы системы энергоснабжения; использованием разработанных пакетов прикладных программ для вычислительного и имитационного экспериментов и анализа полученных данных; удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными.

Научную новизну работы составляют:

- методология рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения;

- показатели и методы оценки использования ВИЭ в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей;

- зависимости показателя энергообеспечения потребителей и замещения традиционных энергоресурсов от основных параметров гелио- и ветроэнергетических установок и энергетических характеристик ВИЭ;

- зависимости энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии для определения условий функционирования ГЭУ и ВЭУ при раздельном и совместном их использовании;

- методы выбора оптимальных параметров ГЭУ и ВЭУ и определения условий эффективного использования ВИЭ.

Практическая значимость работы:

- метод оценки доли замещаемой энергии от ВИЭ для выбора рационального сочетания потребляемых энергоресурсов;

- методика определения энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии при раздельном и совместном их использовании;

- методы выбора оптимальной площади солнечных коллекторов и ветроколеса ВЭУ и определения условий эффективного использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения;

- технические решения для согласованного действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения;

- рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения;

- учебная программа по подготовке студентов по специальности «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства», учебное пособие под грифом УМО и монография.

Реализация результатов исследований:

- результаты исследования используются институтом «Челябинскагропромпроект» для проектирования гелиоустановки; гелиоустановка и на ее базе гелиоветроэнергетическая установка внедрены в АО «Калининское» Брединского района Челябинской области;

- рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов используются МСХ Челябинской, Оренбургской и Департаментом с. х. Курганской областей, ОАО институт «Агропромпроект» и ЗАО «Челябинскагропромэнерго»;

- рекомендации по использованию солнечной и ветровой энергии приняты к реализации ОАО «Государственный ракетный центр имени В.П. Макеева», ОАО «Челябоблкоммунэнерго» и ОАО «Челябэнерго»;

- результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства».

На защиту выносятся следующие положения:

- методология выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей;

- принципы согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии и показатели использования ВИЭ в системе энергоснабжения;

- показатели энергообеспечения потребителей и замещения традиционной энергии в зависимости от основных параметров гелио- и ветроэнергетических установок и энергетических характеристик ВИЭ;

- зависимость оптимальной площади солнечных коллекторов и ветроколеса ВЭУ от технико-экономических показателей системы энергоснабжения и условия эффективного использования ВИЭ;

- методика и результаты оценки энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии;

- результаты оценки доли замещаемой энергии от ВИЭ в зависимости от основных параметров ГЭУ и ВЭУ и энергетических характеристик источника.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-технических конференциях: ЧГАА (ЧИМЭСХ, ЧГАУ) (г. Челябинск, 1988-2010 гг.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1988 г.), СЗНИИМЭСХ (г. Пушкино, СПб., 2002 г.), УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.), КрасГАУ (г. Красноярск, 2010); на научно-технических семинарах и координационных совещаниях «Перспективы применения нетрадиционных источников энергии в АПК» (г. Симферополь, 1989 г.) и «Нетрадиционные электротехнологии в сельскохозяйственном производстве и быту села» (г. Кацивели, 1991 г.); на республиканских научно-технических конференциях «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Киев, 1990 г.) и «Использование солнечной энергии в народном хозяйстве» (г. Ташкент, 1991 г.); на Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (МГУ, г. Москва, 2000 г.); на международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ВИЭСХ, г. Москва, 2000-2010 гг.) и «Аграрная энергетика в XXI веке» (г. Минск, 2001г.); на I Евроазиатской конференции «Энергетика настоящего и будущего» (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 научных работ, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, авторское свидетельство и три патента РФ на изобретение, монография, рекомендации, учебное пособие с грифом УМО.

2. Содержание и основные результаты работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе «Особенности энергоснабжения сельского хозяйства и пути его совершенствования» проанализированы состояние и особенности энергоснабжения сельского хозяйства и пути их совершенствования. Приведены классификация источников энергии и роль возобновляемых источников; опыт использования солнечной и ветровой энергии в энергоснабжении сельскохозяйственных потребителей; принципы эффективного энергообеспечения потребителей и рационального потребления энергоресурсов в системе энергоснабжения; цели и задачи научно-исследовательской работы.

Анализ и классификация существующих источников энергии по виду получаемой полезной энергии позволили определить основные направления их использования. Существующие энергетические ресурсы для некоторых технологических процессов можно рассматривать как взаимозаменяемые с технической стороны и конкурентоспособные с экономической точки зрения. Тогда для технологических процессов можно установить рациональное сочетание потребляемых традиционных и возобновляемых энергетических ресурсов.

В последние годы практически во всех странах мира наращивается выработка электрической и тепловой энергии на базе ВИЭ: солнечной, ветровой, геотермальной, энергии малых рек, биомассы и др. Экономический потенциал ВИЭ в два раза превышает объем годовой добычи органического топлива в мире.

Наиболее перспективными из числа ВИЭ по признаку повсеместной распространенности и доступности являются солнечная и ветровая энергия. В настоящей работе исследуются условия их использования в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Солнечная энергия наиболее широко используется для получения тепла невысокого потенциала, достаточного для горячего водоснабжения и отопления. Суммарная площадь солнечных коллекторов ГЭУ в мире превысила 70 млн кв.м. Ведущие позиции занимают США - 18 млн кв.м, Китай - 17,5 млн кв.м и Япония - 11 млн кв.м.

По данным Международной Ассоциация Ветряной энергетики (WWEA) ветроэнергетика является лидером по сравнению с другими видами ВИЭ. Установленная мощность ВЭУ в мире составляет более 150 ГВт и генерируют около 350 Твт-ч в год, и к 2020 году прогнозируется рост мощности до 2000 ГВт. В РФ эксплуатируются ВЭУ отечественного и зарубежного производства с установленной мощностью около 15 МВт. Потребность России в ветроагрегатах оценивается до 70 тысяч, в т.ч. более 90 % мощностью до 10 кВт.

Анализ опыта совместного использования солнечной и ветровой энергии показывает, что они служат в основном для теплоснабжения потребителей. В России известны примеры использования гелиоветроэнергетических установок для энергоснабжения сельских потребителей.

В нашей стране в развитие солнечной энергетики большой вклад внесли Б.П. Вейнберг, Т.С. Лидоренко, Д.С. Стребков, Б.В. Тарнижевский и др., в развитие ветроэнергетики - Н.Е. Жуковский, В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев и др., а в области использования солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве - Р.А. Амерханов, П.П. Безруких, В.Н. Карпов, Л.А. Саплин, Я.И. Шефтер, Н.В.Харченко, Н.В. Цугленок и др. НИР по использованию ГЭУ и ВЭУ проводились в лабораториях ВИМа, ВИЭСХа, ЦАГИ, ЭНИН и др.

Опыт использования солнечной и ветровой энергии показывает, что они служат в качестве дополнительных источников в системе энергоснабжения с целью экономии органического топлива. Тогда для эффективного замещения топлива необходимо определить условия рационального использования ВИЭ в системе энергоснабжения. Известные методы не позволяют выбрать рациональное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов и, соответственно, создать эффективную систему энергоснабжения.

Для эффективного использования ВИЭ важно согласование режимов поступления и потребления возобновляемой энергии, а также согласованные действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения. Недостаточные исследования в этом направлении требуют разработки методологических основ по эффективному использованию возобновляемых источников в системе энергоснабжения.

Для эффективного энергообеспечения потребителей необходимо определить оптимальные параметры гелио- и ветроэнергетических установок на стадии проектирования системы энергоснабжения. Отсутствие зависимости энергообеспечения и технико-экономических показателей от параметров энергоустановок, а также недостаточная проработка методических положений в проектировании системы энергоснабжения не позволяют определить оптимальные параметры ГЭУ и ВЭУ и условия эффективного использования ВИЭ.

На основе анализа состояния изучаемого вопроса и для решения проблемы по рациональному использованию потребляемых энергоресурсов были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе «Методология определения рационального сочетания традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей» на основе многоуровневой системы исследования разработаны модели энергообеспечения от системы комплексного энергоснабжения с использованием ВИЭ, функционирования подсистемы энергоснабжения от возобновляемых источников и выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Изучение рационального сочетания потребляемых энергоресурсов возможно на основе системного подхода. Для достижения поставленной цели разработаны взаимосвязанные методы и модели, имеющие определенную иерархичность в виде различных уровней.

На первом уровне совокупность традиционных и возобновляемых источников, связанных единством задачи, представляется как система комплексного энергоснабжения (СКЭ), которая является элементом более высокой производственной системы. Исследование СКЭ должно быть подчинено главной цели - обеспечению производства качественной продукции при наименьших затратах на энергоресурсы.

Систему энергоснабжения можно представить как совокупность подсистем электро-и теплоснабжения: централизованных (ЭС и ТС) и автономных (МЭС, ТГУ и ВИЭ), имеющих на выходе полезно потребляемую энергию (рис. 1).

Условия функционирования исследуемой СКЭ определяется потоком поступающих энергоресурсов на входе и потоком полезной энергии на выходе от каждого источника. Согласно энергетическому балансу, потребная энергия от СКЭ может быть представлена как

, (1)

где Q_эс(Q_мэс) - потребляемая электроэнергия от ЭС или МЭС; Q_тс(Q_тгу) - потребляемая тепловая энергия от ТС или ТГУ; Q_в.i - полезная энергия, получаемая от i-го возобновляемого источника.

Рисунок 1 - Система комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии: ЭС, ТС - централизованные системы электро- и теплоснабжения; МЭС - местная электростанция на органическом топливе; ТГУ - теплогенерирующая установка на органическом топливе; ВИЭ - возобновляемый источник; > - энергетические связи; - > - информационно-управляющие связи.

Таким образом, потребная электрическая или тепловая энергия может быть получена от нескольких ВИЭ и традиционного источника

. (2)

Для эффективного энергоснабжения необходимо рационально использовать не только традиционные, но и возобновляемые энергоресурсы. При этом возобновляемый источник может обеспечить только часть потребной энергии и замещать определенную долю традиционно используемого энергетического ресурса. Значит, потребляемая энергия от традиционного источника зависит от условий использования солнечной и ветровой энергии.

На втором уровне исследования разработаны показатели и методы оценки условий использования ВИЭ в системе энергоснабжения. При этом важным показателем системы энергоснабжения является доля замещаемой энергии от i-го возобновляемого источника за расчетный период (сезон, год), которую можно представить как

. (3)

Доля замещаемой энергии от возобновляемых источников зависит от условий энергообеспечения потребителей от ВИЭ. Тогда из состава СКЭ необходимо выделить подсистему энергоснабжения от ВИЭ, которая может быть изучена с морфологической и функциональной точки зрения.

Подсистема ВИЭ, на базе гелио- и ветроэнергетических установок, с морфологической точки зрения изучена. Известны структура, основные элементы и конструктивные особенности ГЭУ и ВЭУ.

Более актуальной является функциональное описание подсистемы ВИЭ. Недостаточно изучены условия функционирования ГЭУ и ВЭУ при раздельном и совместном их использовании в системе энергоснабжения.

На третьем уровне исследуется модель функционирования подсистемы ВИЭ, которую обобщенно можно представить как результат преобразования исходных данных посредством оператора F

, (4)

где I, P - воздействия источника энергии и технологического процесса на выработку энергии от ВИЭ (Q_B); Z - управляемые параметры энергетической установки; C - воздействия внешней среды.

Модель функционирования исследуемой подсистемы ВИЭ приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модель функционирования подсистемы энергоснабжения от ВИЭ: ИЭ - источник энергии; ЭУ - энергетическая установка; П - потребитель; х_s, х_v - энергетические характеристики возобновляемой солнечной (I_S) и ветровой (I_v) энергии; Z, з - параметры и КПД гелио- и ветроэнергетической установки; Q_B, Q_П - вырабатываемая и потребная энергии; Т - технологический процесс, влияющий на режим потребления энергии (Р(t)); С - внешняя среда

В подсистеме ВИЭ входом являются неуправляемые потоки возобновляемой энергии, выходом - вырабатываемая энергия. Тогда исследование подсистемы возможно путем разработки модели функционирования в два этапа.

На первом этапе третьего уровня исследуются энергетические характеристики ВИЭ. Возобновляемый источник имеет ряд особенностей, главные из которых - неуправляемость и случайный характер поступающей энергии. Уровень поступающей солнечной или ветровой энергии в заданные сроки можно определить на основе энергетических характеристик ВИЭ (х_s, х_v) и вероятности их появления р(х) за время t

. (5)

Для преобразования возобновляемой энергии используются оптимально разработанные по конструкции и с соответствующим КПД (з) установки модульного типа. Тогда вырабатываемая энергия от ГЭУ и ВЭУ зависит от принятых параметров гелио- и ветроэнергетической установки (Z_гэу, Z_вэу).

На втором этапе третьего уровня исследуется ожидаемая выработка от ГЭУ и ВЭУ, которую можно определить на основе детерминированной модели. Однако результаты функционирования энергетической установки также будут носить случайный характер. Вырабатываемую энергию от ГЭУ и ВЭУ можно ожидать с определенной вероятностью в течение заданного периода времени

. (6)

Условия потребления энергии играют важную роль в процессе использования ВИЭ. Потребная энергия определяется режимом работы приемников электрической (Р_э.э) и тепловой энергии (Р_т.э)

. (7)

Таким образом, для исследования условий использования ВИЭ в системе энергоснабжения необходимо определить основные характеристики модели функционирования подсистемы ВИЭ: энергетические характеристики возобновляемых источников и параметры гелио- и ветроэнергетических установок.

Анализ существующих методов проектирования ГЭУ и ВЭУ показывает, что расчет вырабатываемой энергии лучше производить с удельной поверхности солнечных коллекторов (СК) ГЭУ или ветроколеса (ВК) ВЭУ. Тогда вырабатываемую энергию можно определить как:

для ГЭУ - ; (8)

для ВЭУ - , (9)

где А_ск, А_вк - соответственно площади СК и ВК; Q_в.уд - вырабатываемая энергия с удельной поверхности СК ГЭУ или ВК ВЭУ.

Параметры А_ск, А_вк в действительности являются основными, когда рассматриваемые солнечные коллекторы в ГЭУ или ветроустановки имеют наилучшие технические характеристики, в частности КПД. При оптимальных параметрах ГЭУ и ВЭУ можно ожидать рациональное использование ВИЭ.

На четвертом уровне исследуются условия выбора рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе комплексного энергоснабжения. Рациональное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов должно обеспечить потребную энергию с минимальными затратами

, (10)

где с_i и Q_i - соответственно стоимость и количество потребляемой энергии от i-го источника.

После несложных преобразований необходимые затраты на получение электрической или тепловой энергии можно представить в виде

, (11)

где с_в, с_т - соответственно удельные затраты на получение электрической или тепловой энергии от возобновляемого и традиционного источников.

Тогда целевая функция, удельные затраты на потребляемую энергию от системы комплексного энергоснабжения

 min. (12)

Для достижения поставленной цели необходимо определить долю замещаемой энергии от ВИЭ. При совместном использовании солнечной и ветровой энергии доля замещаемой энергии определяется из условия

. (13)

Использование ВИЭ в составе СКЭ возможно при условии

, (14)

где - соответственно сроки окупаемости и службы подсистемы энергоснабжения от ВИЭ; К_В - капиталовложения на подсистему ВИЭ.

Доля замещаемой энергии, которая должна быть представлена за расчетный период, зависит от условий согласования возобновляемого источника с потребителем. Для оценки условий согласования и использования ВИЭ для обеспечения потребной энергии требуется разработать специальные показатели.

В третьей главе «Показатели использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения и методы их оценки» приведены принципы согласования возобновляемого источника с потребителем и взаимосвязанные показатели, позволяющие оценить условия использования солнечной и ветровой энергии в энергообеспечении потребителей и определить долю потребной энергии замещаемой ВИЭ, а также методы оценки предлагаемых показателей.

В системе энергоснабжения потребляемая энергия может носить случайный характер, как и выработка от ГЭУ и ВЭУ. Поэтому необходимо согласование возобновляемого источника с потребителем.

Для согласования случайных режимов важно определить повторяющиеся циклы в нестационарном процессе. Анализ режимов поступления и потребления возобновляемой энергии показал, что внутри месяца и года такими свойствами обладает суточная сумма как поступающей возобновляемой, так и полезно потребляемой энергии.

Для согласования рассматриваемых режимов существуют различные методы управления. Наиболее распространен метод аккумулирования преобразованной возобновляемой энергии. Тогда аккумулируемую энергию (Q_ак) следует определить исходя из суточной потребности.

Для оценки суточного энергообеспечения от ВИЭ предлагается коэффициент энергообеспечения, показывающий долю суточной потребной (аккумулируемой) энергии, обеспечиваемой возобновляемым источником, и для каждого i-го месяца

, (15)

где - полезная выработка от ГЭУ и (или) ВЭУ за сутки.

Коэффициент энергообеспечения не должен превышать единицы, и полезно потребляемая энергия от ВИЭ определяется из условия

. (16)

Превышение ожидаемой выработки от потребной энергии приводит к излишкам, которые не используются и теряются в окружающей среде.

Использование ВИЭ можно оценить коэффициентом использования энергоустановки ГЭУ или ВЭУ в системе энергоснабжения, показывающим долю вырабатываемой энергии, используемой полезно для обеспечения потребности, и для каждого i-го месяца

. (17)

В случае, когда выработка меньше, чем потребная энергия, вырабатываемая ГЭУ и (или) ВЭУ энергия используется потребителем полностью, и К_и.i =1. В противном случае энергоустановка с выбранными параметрами недоиспользуется и следует ожидать потери энергии.

По коэффициенту энергообеспечения можно оценить долю замещаемой энергии за более длительный период с учетом вероятности (интегральной обеспеченности) ежесуточной выработки (р(Q_в)). Тогда коэффициент замещения для каждого i-го месяца

. (18)

Доля замещаемой энергии за расчетный период (сезон, год)

. (19)

Таким образом, для оценки доли замещаемой энергии необходимо определить среднее значение коэффициента энергообеспечения за расчетный период в зависимости от параметров ГЭУ и ВЭУ. На рисунке 3 приведена зависимость коэффициента энергообеспечения от площади СК ГЭУ и ВК ВЭУ.

На исследуемой зависимости по оси ординат отложена доля потребной энергии, коэффициент К_об.m показывает долю максимального обеспечения потребной энергии. Потребная площадь за расчетный период может колебаться от минимальной А₀ до максимальной А_m.

При суточной выработке Q_в.уд.0 потребная энергия обеспечивается при площади А₀, а при Q_в.уд.1 - А₁ и т.д. Когда А>А₀, следует ожидать потери энергии ?Q тем больше, чем больше площадь СК или ВК.

На графике приведена средняя величина коэффициента энергообеспечения за расчетный период (штриховая линия с точкой). Зависимость коэффициента энергообеспечения от площади СК или ВК (рис. 4) можно условно разделить на две части: область изменения площади от 0 до А₀ и от А₀ до А_m.



Рис. 4 - Зависимость К_об от площади СК ГЭУ или ВК ВЭУ

В первой части зависимость носит линейный характер; это объясняется возможностью полного использования вырабатываемой энергии в течение расчетного периода. В этом случае

. (20)

Во второй части с увеличением площади СК или ВК наблюдается нелинейный рост К_об из-за ожидаемых потерь энергии.

Для идеального случая, когда отсутствуют потери энергии, коэффициент энергообеспечения растет линейно (штриховая линия). Максимальное энергообеспечение можно ожидать при площади

. (21)

В действительности, с повышением площади СК или ВК коэффициент К_об растет, асимптотически приближаясь к максимальному значению. При этом скорость роста пропорциональна уменьшающейся разнице (К_об.m-К_об)

. (22)

Решением дифференциального уравнения после несложных преобразований является выражение

. (23)

Согласно начальным условиям, когда А = А₀ и

; . (24)

Тогда коэффициент энергообеспечения

(25)

или

. (26)

Качество тепловой энергии зависит от интенсивности солнечной радиации и скорости ветра. В отдельных случаях, возможно, что К_об.m < 1, и значение его зависит от соотношения конечной и потребной температуры теплоносителя

, (27)

где Т_к, Т_п, Т_н - соответственно температура теплоносителя конечная, потребная и начальная.

Для удобства рассматриваемые площади СК и ВК можно представить относительно требуемого максимального значения

. (28)

Тогда коэффициент энергообеспечения определяется исходя из условий

. (29)

Таким образом, по предложенной методике можно определить коэффициент энергообеспечения, представляющий среднее значение за расчетный период, в зависимости от площади СК ГЭУ или ВК ВЭУ и энергетических характеристик возобновляемого источника.

Доля замещаемой энергии от ВИЭ за расчетный период зависит от условий энергообеспечения потребителей и вероятности поступления солнечной и ветровой энергии за заданное время. Тогда коэффициент замещения

 или . (30)

Предлагаемый метод расчета доли замещаемой энергии справедлив, когда ГЭУ и ВЭУ используются раздельно. При совместном их использовании коэффициент замещения зависит от условий суточного энергообеспечения гелио- и ветроэнергетических установок и вероятности одновременного поступления солнечной и ветровой энергии :

- если ,

; (31)

- если ,

. (32)

Таким образом, для определения доли потребной энергии замещаемой ВИЭ необходимо учитывать условия суточного энергообеспечения и случайный режим поступающей возобновляемой энергии за расчетный период. Для этого необходимо исследовать энергетические характеристики возобновляемых источников и их влияние на условия использования ВИЭ в энергообеспечении потребителей при раздельном и совместном использовании ГЭУ и ВЭУ.

В четвертой главе «Определение энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии» исследуются режимы поступления возобновляемой энергии. Приводятся основные методические положения по представлению энергетических характеристик солнечной радиации и ветрового потока при их раздельном и совместном использовании в системе энергоснабжения.

Энергетические характеристики возобновляемых источников служат основой для проектирования систем энергоснабжения, использующих ВИЭ. При этом обязательным является вероятностно-статистический анализ энергетических характеристик возобновляемых источников в течение расчетного периода.

Условия использования солнечной энергии определяются уровнем и продолжительностью поступающей солнечной радиации. В качестве энергетических характеристик солнечной радиации (х_s) служат ее интенсивность h_S (Вт/м²) и продолжительность солнечного сияния S.

При проектировании ГЭУ важно знать величину солнечной энергии, поступающей за время ее работы, т.е. ее дневную сумму за заданный промежуток времени. В условиях Южного Урала установлена зависимость средней интенсивности солнечного излучения h_S от дневной продолжительности солнечного сияния, рассматриваемой симметрично относительно полудня (рис. 5).

Рисунок 5 - Зависимость интенсивности солнечного излучения от продолжительности солнечного сияния

Приведенные зависимости удовлетворительно аппроксимируются уравнением

. (33)

В полдень, в момент времени S=0, коэффициент b_S показывает долю солнечной постоянной h₀, приходящей на горизонтальную поверхность, а их произведение - среднемесячную интенсивность солнечной радиации. Продолжительность солнечного сияния рассматривается относительно долготы дня S₀.

По предлагаемой модели была оценена дневная сумма солнечной радиации для разных месяцев. Результаты моделирования подтверждены опытными данными.

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 (х_v) 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

Рисунок 6 - Зависимость V_ср.м. от средней скорости ветра

, м/с. (37)

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

Рисунок 7 - Зависимость среднесуточной скорости ветра от продолжительности солнечного сияния, выраженная в отн. ед.

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 F_R - коэффициент эффективности; R - коэффициент, учитывающий угол наклона СК; - приведенная поглощательная способность; U_L - коэффициент тепловых потерь; Т_б, Т_о - среднедневная температура теплоносителя в баке-аккумуляторе и окружающей среды соответственно.

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

Рисунок 8 - Зависимость выработанной СК (Q_к) и аккумулированной (Q_б) за день тепловой энергии от поступившей солнечной энергии (Н_т)

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 v_o, рабочей v_p и максимальной v_m.

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

, (41)

где д - 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%.

Рисунок 9 - Вырабатываемая энергия от ВЭУ по результатам теоретических и экспериментальных исследований

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.



Рисунок 10 - Распределение вырабатываемой энергии от гелитоветроэнергетической установки

ВЭУ использует только часть потенциальной энергии ветра, и доля ее зависит в основном от v_o и v_p. 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 К_об (рис. 11). Сравнительный анализ приведенных данных показывает на хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных.

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента энергообеспечения от площади СК и ВК при круглогодичном режиме использования; а) ГЭУ; б) ВЭУ

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

Рисунок 12 - Зависимость коэффициента замещения от времени года

Тогда коэффициент замещения ГЭУ и ВЭУ

; , (44)

где К_f - 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.

Рисунок 13 - Годовой ход коэффициента замещения ГВЭУ

Рисунок 14 - Годовой ход замещаемой доли ГЭУ и ВЭУ в составе ГВЭУ

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 (З_в.уд)

. (45)

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

. (46)

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

, (47)

где и_В - суммарное отчисление от капиталовложения на энергоустановку в годовой эксплуатационный расход, включая потери энергии при передаче; г_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 К_уд и с_т (рис. 15).

Рисунок 15 - Зависимость стоимости энергии в системе энергоснабжения от площади СК ГЭУ и ВК ВЭУ

Проведенные исследования показали, что при с_т= 2 руб./кВт^.ч для ГЭУ с выработкой за расчетный период 300 кВт ч/м² допускается К_уд< 2647 руб./м², для ВЭУ с выработкой 60 кВт^.ч/м² - К_уд< 1220 руб./м².

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

для ГЭУ - К_уд< 4,5 руб/м^2.кВт^.ч; для ВЭУ - К_уд< 10 руб/м^2.кВт^.ч.

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.

Рисунок 16 - Изменение удельных затрат на потребляемую энергию от СКЭ при отклонений площади СК и ВК от оптимального значения

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.

...