Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Азово-черноморская государственная агроинженерная академия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование для сельского хозяйства

Воронин Сергей Михайлович

Зерноград - 2008

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы и решаемая научная проблема. В настоящий период аграрный сектор России является многоукладным хозяйством, когда наряду с коллективными производителями сельскохозяйственной продукции существуют и частные производители - фермерские и крестьянские хозяйства. Например, в Южном Федеральном округе России (ЮФО) свыше 900 фермерских хозяйств удалено от централизованной системы электроснабжения более чем на 7 км, свыше 3,5 тысяч хозяйств удалены на расстояние 2-7 км. Для удаленных от ЛЭП хозяйств автономное электроснабжение является наиболее приемлемым вариантом. Автономные потребители электроэнергии имеются и в крупных коллективных хозяйствах, это овцеводческие точки, домики рыбака и т.п.

Традиционное применение для автономного электроснабжения передвижных топливных электростанций сопряжено с проблемой использования ископаемого углеводородного топлива, а именно с постоянным и интенсивным ростом цен на нефтепродукты и газ, и с негативным экологическим воздействием. В этой связи, актуальными становятся исследования по изысканию альтернатив традиционному топливу.

Альтернативным вариантом могут стать возобновляемые источники энергии (ВИЭ), особенно энергия солнечного излучения и ветра, которые имеют место на всей территории России с интенсивным сельхозпроизводством. Однако нерегулярность поступления энергии от этих источников и ее низкая плотность создают значительные трудности в их применении. Практически это проявляется в высокой стоимости производимой электроэнергии и низкой надежности ее поставки потребителю. Устранить эти препятствия путем совершенствования преобразователей ВИЭ не удается, так как это сопровождается таким ростом их стоимости, что проблема экономичности автономных солнечных электростанций еще более обостряется.

Значительного снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии можно достичь путем оптимизации состава и параметров автономных систем электроснабжения. Кроме того, такое направление требует минимальных инвестиций и не ограничивает НИР и ОКР по совершенствованию преобразователей энергии. К сожалению, известные методы совершенствования систем электроснабжения на основе ВИЭ (включая и централизованные системы) не обеспечивают оптимальных результатов. Основной причиной является то, что повышения конкурентоспособности добивались путем увеличения эффективности отдельных элементов, без учета их связей с системой в целом. Реально и существенно повысить эффективность автономных электростанций на ВИЭ, можно только рассматривая их как изолированные системы, нерегулярно получающие энергию солнечного излучения или ветра, эффективно преобразовывая ее в электроэнергию, и поставляя потребителю в соответствии с его потребностями.

Таким образом, разработка методов формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ, с учетом изолированности от других источников энергии, является важной научной проблемой, требующей проведения глубоких исследований и получения новых методологических положений. Кроме того, современное отечественное сельское хозяйство с его многочисленными автономными потребителями электроэнергии, имеет весьма значительные перспективы использования ВИЭ, что в свою очередь создает реальные предпосылки для более быстрого освоения возобновляемых источников энергии и выполнения многих международных обязательств России, в том числе и по Киотскому Протоколу.

На основании изложенного, сформулирована решаемая научная проблема - разработка общей методологии формирования автономных систем электроснабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра, и методов обоснования и оптимизации их параметров, обеспечивающих заданную потребителем (предположительно высокую) надежность поставки электроэнергии при минимальной ее стоимости.

Научные исследования проводились в рамках Научно-технических программ фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996 - 2000г.г., на 2001 - 2005г.г. и на 2006 - 2010г.г.

Цель исследований - научное обоснование общей методологии и методов оптимального формирования автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе энергии солнечного излучения и ветра, обеспечивающих их эффективное использование с учетом изолированности системы.

Объект научных исследований - автономные системы электроснабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра.

Предмет научных исследований - закономерности формирования автономных систем электроснабжения с учетом характеристик возобновляемых источников энергии и автономных потребителей электроэнергии.

Научная новизна исследований включает:

§ правило приведения случайных величин, и методика ускоренного получения статистических параметров графика нагрузки, основанная на этом правиле, позволяющая получать типичные графики потребления электроэнергии автономными сельскохозяйственными объектами.

§ параметры функций распределения ветровых и штилевых периодов, позволяющие определять продолжительность чередующихся периодов работы ветроустановки и аккумуляторов.

§ доказательства ошибочности рекомендаций по оптимальной ориентации фиксированных солнечных приемников строго на юг в северном полушарии и разработанная методика оптимизации параметров ориентации, позволяющая увеличить поступление энергии солнечного излучения за год не менее чем на 7%.

§ установленные на основе экспериментальных и теоретических исследований закономерности влияния концентраторов и систем слежения на энергетические характеристики ФЭП, позволяющие задавать эффективные режимы работы в зависимости от интенсивности солнечного излучения и угла рассогласования.

§ общая методология формирования систем автономного электроснабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра, и методы обоснования и оптимизации параметров этих систем, учитывающие нерегулярность ВИЭ и случайный характер потребления электроэнергии.

Практическую значимость диссертации составляют:

§ типичные графики нагрузки фермерских хозяйств и других сельскохозяйственных объектов на территории ЮФО, позволяющие значительно сократить время сбора статистической информации.

§ статистические характеристики энергии солнечного излучения и ветра на территории ЮФО, позволяющие уточнить параметры соответствующих систем автономного электроснабжения.

§ перспективные варианты автономных ветроэлектростанций на основе роторных ветроустановок, и солнечных электростанций на основе фотоэлектрических преобразователей с концентраторами и следящими системами, защищенные патентами Российской Федерации, и повышающие эффективность использования энергии ветра и солнечного излучения.

§ зональные агротехнические требования на ветроэнергетические установки для условий Ростовской области, позволяющие уменьшить затраты на проектирование конкурентоспособных систем электроснабжения.

§ рекомендации по использованию возобновляемых источников энергии, позволяющие формировать конкурентоспособные системы автономного электроснабжения и эффективно их использовать.

Апробация научных результатов - основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях АЧГАА, ВНИПТИМЭСХ, КубГАУ, СтГАУ, на международной школе-конференции, проводимой Российской академией электротехнических наук, на 6-й Международной научно-технической конференции ВИЭСХ.

Основные положения диссертации опубликованы в 35 трудах, в том числе 10 в изданиях, рекомендуемых ВАК. По результатам диссертации издано две монографии и два учебных пособия. Публикации и издания по диссертации составляют 43 печатных листа, в том числе 38 авторских печатных листов.

2. Содержание работы

Во введении сформулирована проблема, цель и приведены основные положения диссертации.

В главе 1 «Современное состояние электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей» проанализированы сельскохозяйственные объекты, требующие автономного электроснабжения. Типичными представителями таких объектов являются фермерские хозяйства, занимающиеся растениеводством. Фермерские хозяйства исторически получали сельскохозяйственные угодья вокруг брошенных хуторов, линии электропередач к которым были демонтированы или разворованы.

В связи с отсутствием сетевого электроснабжения фермеры в своей производственной деятельности опирались на машинотракторный парк и сельхозмашины. Мощные потребители электроэнергии не применялись, а для хранения и переработки растениеводческой продукции использовались элеваторы или арендованные в крупных хозяйствах крытые тока. Это привело к тому, что нагрузка имела производственно-бытовой характер с установленной мощностью до 10 кВт и среднесуточной часовой нагрузкой 0,1 - 1,5 кВт. Данная ситуация сохраняется и в настоящее время.

Таким образом, при удалении от энергосистемы на несколько километров, сетевое электроснабжения становилось экономически невыгодным из-за высоких затрат на строительство. Автономное электроснабжение на основе топливных электростанций в настоящее время также требует изыскания альтернативных вариантов. Альтернативой углеводородному топливу могут стать ВИЭ (солнечное излучение и ветер).

В бывшем СССР пик исследований в области ветроэнергетики приходится на середину прошлого столетия. Преимущественным направлением было создание мощных ветроэлектростанций, способных работать в параллели с центральной системой электроснабжения. Ведущая роль принадлежала российским ученым В.П.Ветчинкину, Н.Е.Жуковскому, Г.Х.Сабинину. Далее, с развитием централизованного электроснабжения, исследования в области ветроэнергетики были значительно сокращены, однако получили импульс исследования фотоэлектричества.

Предпосылкой к исследованию фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является освоение космоса, хотя рассматривались и их земные применения, в частности в сельском хозяйстве. Ведущим ученым в направлении совершенствования ФЭП является академик, нобелевский лауреат Ж.И. Алферов. В сельском хозяйстве авангардная роль в освоении ВИЭ принадлежит ВИЭСХ. Талантливый руководитель этого института, академик РАСХН Д.С. Стребков сумел сохранить научный потенциал, накопленный к концу прошлого столетия, и продолжить исследования в области ВИЭ. При этом ему удалось объединить усилия многих НИИ и вузов не только России, но и СНГ, и стран Прибалтики.

Отличительной особенностью современных исследований ВИЭ является их применение в автономном режиме. Однако единых методов формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ нет, что не позволяет значительно увеличить их конкурентоспособность. На основании этого в настоящей работе была сделана попытка разработки методов, которые позволят формировать эффективные автономные системы электроснабжения на основе ветроустановок и солнечных электростанций на ФЭП. Для достижения поставленной цели впервые автономные системы электроснабжения рассматривались, как изолированные системы, нерегулярно получающие энергию, преобразующие ее в электроэнергию, и поставляющие потребителю в соответствии с его потребностями. В ходе исследований были поставлены и решены следующие научные задачи.

1. Провести системный анализ объекта исследований, выявить закономерности поступления и потребления энергии, и исследовать процессы преобразования энергии возобновляемых источников в электроэнергию.

2. Обосновать целевые функции для автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии и их различных комбинаций, в том числе и с традиционными источниками энергии, и разработать общую методологию формирования автономных систем электроснабжения и методы оптимизации их параметров.

3. Разработать перспективные варианты автономных ветроэлектростанций, солнечных электростанций и систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

4. Разработать инженерные методы формирования систем электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей на основе возобновляемых источников энергии.

5. Определить условия экономически эффективного применения разработанных систем электроснабжения и дать рекомендации по их использованию.

Методологической основой настоящих исследований стали известные работы Ж.И. Алферова, Д.С .Стребкова, И.Ф. Бородина, Р.А. Амерханова, В.Н. Андрианова, П.П. Безруких, М.А. Таранова, В.П. Харитонова, Я.И. Шефтер, О.В. Григораш, Г.В. Никитенко, В.Н. Гурницкого.

В главе 2 «Общая методика исследований» выбрано направление и приведена общая методика исследований. Учитывая, что автономные электростанции на основе возобновляемых источников энергии обладают всеми признаками сложной технической системы, основным методом настоящих исследований является системный анализ. При этом применялись теория вероятностей и математическая статистика, теория оптических систем, теоретические основы динамики, методы технической физики (динамика, термодинамика), методы дифференциального анализа, методы теории подобия.

В главе 3 «Система автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии» проведен системный анализ автономных электростанций на ВИЭ. В автономной системе электроснабжения на ВИЭ (рисунок 1) связь с источниками и потребителями энергии учтена в виде возмущающих воздействий, к которым отнесены: F1 - фактическая интенсивность возобновляемых источников энергии, F2 - мощность передаваемая преобразователем энергии возобновляемого источника, F3, F4 - мощность нагрузки переменного и постоянного тока.

Рисунок 1- Система автономного электроснабжения: 1 - преобразователи ВИЭ, 2 - резервная электростанция, 3 - коммутатор, 4 - инвертор, 5 - потребители электроэнергии переменного тока, 6 - аккумуляторная батарея, 7 - потребители электроэнергии постоянного тока, F - возмущающие воздействия.

Для серийного освоения автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ необходимо иметь усредненные или типичные графики нагрузки.

В справочной литературе приводятся данные о параметрах распределения потребляемой мощности сельской усадьбы, которая является эквивалентом усадьбы фермерского хозяйства. Однако графиков нагрузки в литературных источниках не обнаружено. Для получения типичных графиков нагрузки без увеличения времени эксперимента и без увеличения числа экспертов, было сформулировано и применено правило приведения одной случайной величины к другой, которое звучит следующим образом. Чтобы случайную величину Х привести к случайной величине Y, имеющей такой же закон распределения, но другие статистические параметры распределения, необходимо фактически наблюдаемые значения х_j изменить по формуле (1), предварительно вычислив коэффициенты приведения по формулам (2).

x_Пj = a₀ + a₁x_j , (1)

, , (2)

где: x_Пj - приведенное j-тое значение случайной величины Х, а₀, а₁ - коэффициенты приведения.

По сути, коэффициенты приведения являются коэффициентами уравнения регрессии первой степени при коэффициенте корреляции r = 1.

В соответствии с разработанной методикой путем опроса экспертов были получены типичные графики нагрузки автономных сельскохозяйственных объектов, приведенные к статистическим параметрам РУМ-10.

Входящие в систему потоки энергии (солнечное излучение и ветер) описываются метеорологическими данными, которые приводятся в специальных справочниках. Однако эти данные являются усредненными, и их применение может привести к ошибочным результатам. В этой связи были исследованы случайные характеристики солнечного излучения и ветра.

Так как солнечное излучение является случайной величиной, то более корректно использовать доверительный интервал его интенсивности, то есть применять для расчетов солнечных электростанций интенсивность солнечного излучения, гарантированную с заранее заданной вероятностью. Такая вероятность интенсивности солнечного излучения соответствует вероятности попадания случайной величины в заданный интервал. Учитывая, что интенсивность солнечного излучения в любой промежуток времени изменяется по нормальному закону, а в метеорологических справочниках приводится математическое ожидание этой величины, были получены графики гарантированной интенсивности солнечного излучения (рисунок 2).

Рисунок - 2. Графики гарантированного солнечного излучения: 1 - вероятность 0,9, 2 - вероятность 0,5.

Интенсивность солнечного излучения на наклонную площадку зависит от азимутального угла и угла наклона. Обычно параметры ориентации выбираются исходя из максимального поступления за световой период энергии Солнца на площадку. Учитывая, что прозрачность атмосферы в течение суток изменяется (например, в Ростовской области атмосфера более прозрачна в первой половине дня, а во второй появляется облачность), ориентация солнечного приемника на юг не оптимальна. В этой связи была решена задача по оптимальной ориентации фиксированного солнечного коллектора по максимуму поступления на него энергии Солнца.

Плотность солнечного излучения, поступающего на солнечный коллектор, определяется по формуле:

N_к = N_гi[ctg_i cos(_сi - ) sin + cos], (3)

где N_K - интенсивность солнечного излучения на коллектор, Вт/м²; N_Гi - интенсивность солнечного излучения на горизонтальную площадку в i-тый промежуток времени, Вт/м²; _i - угол солнцестояния в i-тый промежуток времени, град.; г_Сi - азимутальный угол Солнца в i-тый промежуток времени, град.; г - азимутальный угол коллектора, град.; в - угол наклона коллектора, град.

Дифференцируя (3) последовательно по dг и dв, получаем выражения для определения оптимальных параметров ориентации фиксированного солнечного коллектора:

; . (4)

В соответствии с изложенной методикой в качестве примера, на основании статистических данных ГМО поселка Гигант Ростовской области, рассчитаны параметры ориентации солнечного коллектора. В результате расчетов получено, что при круглогодичной работе азимутный угол должен составлять - 12,5 град. угол наклона к горизонтальной поверхности должен составлять 41,6 град.

Оптимально ориентированный коллектор принимает энергии солнечного излучения на 7% больше. Однако по сравнению со следящей системой разница в поступлении энергии остается значительной - следящий за Солнцем преобразователь воспринимает энергии солнечного излучения больше в 1,3 раза в зимние месяцы и в 1,7 раза в летние месяцы.

Ветер, так же как и солнечное излучение, характеризуется случайными параметрами, но является еще менее периодичным источником возобновляемой энергии. В метеорологических справочниках приводятся данные о распределении скорости ветра по месяцам года в течение суток, и об общем количестве дней в году ветра с определенной скоростью. Данных о продолжительности непрерывных периодов с той или иной скоростью в метеорологических справочниках не приводится.

Методик, позволяющих определять продолжительность штилевых и энергетических периодов, не обнаружено. Очевидно, это объясняется тем, что для сетевого использования ветроэлектростанций достаточно знать общую продолжительность этих периодов, которая определяет общую энергетическую способность использования энергии ветра.

Для расчета автономных (изолированных) ветроэлектростанций разрабатывались различные математические модели динамики ветра, которые, как и для солнечного излучения, либо содержали поправочные эмпирические коэффициенты, требующие проведения дополнительных статистических наблюдений, либо (в силу своей целенаправленности) позволяли получить характеристики типичного (усредненного) дня в отношении ветра. Вместе с тем, в метрологических справочниках достаточно данных для получения необходимых параметров (продолжительности непрерывных энергетических и штилевых периодов). Причем получить такие параметры можно путем расчетов и машинного моделирования, что значительно сократит трудоемкость их определения.

Энергетические и штилевые периоды являются случайными величинами, поэтому имеет смысл говорить только о вероятности продолжительности этих периодов. Для получения статистических параметров (математическое ожидание и стандартное отклонение) было проведено на основании метеоданных машинное моделирование чередования скорости ветра в течение года. Учитывая, что на продолжительность энергетического и штилевого периодов оказывают влияние многочисленные факторы, независимые друг от друга, а каждый фактор оказывает незначительное влияние в сравнении с совокупным влиянием всех факторов, была принята гипотеза, что энергетический и штилевой периоды распределены нормально. Проверка гипотезы проводилась по критерию Пирсона. В качестве исходных данных использовался статистический материал Государственных метеорологических обсерваторий, расположенных на территории Южного Федерального округа.

Так как в метеорологических справочниках не приводятся данные о продолжительности периодов с той или иной скоростью ветра, было проведено моделирование графиков по методу Монте-Карло. По полученным графикам определялись продолжительности энергетического и штилевого периодов и распределение вероятностей этих случайных величин для различных скоростей ветра. Проверка гипотезы о законе распределения проводилась для каждой скорости ветра. Результаты проверки приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты проверки гипотезы о нормальном распределении энергетических и штилевых периодов

Параметры	Период (сут) со скоростью ветра
	>4м/с	>6м/с	>12м/с	<4м/с	<6м/с	<12м/с
Расчетное значение c2 Нормированное значение c2 для уровня значимости 0,05 Математическое ожидание, сут Стандартное отклонение, сут	17,06 18,3 52,1 17,2	3,31 9,5 24,0 7,8	2,76 9,5 2,4 0,8	1,49 9,5 1,5 0,5	4,31 9,5 2,1 0,6	8,07 14,1 18,0 8,4

Как показала проверка, нет оснований отвергать нулевую гипотезу о нормальном законе распределения вероятностей энергетических и штилевых периодов.

По полученным данным были построены грвфики зависимости штилевого и энергетического периодов от скорости ветра (рисунок 3).

Для практического использования полученных функций при оптимизации параметров автономной системы электроснабжения удаленного объекта они были аппроксимированы уравнениями регрессии.

t_A=0,0014v⁵-0,0622v⁴+1,0067 v³-6,759 v²+19,677 v-18,37 (5)

t_Э=0,003v⁴-0,1365v³+2,2506 v²-16,462v + 49,623 (6)

Рисунок 3 - Продолжительность энергетических и штилевых периодов, наступающих с вероятностью 0,95

В главе 4 «Анализ преобразователей и аккумуляторов энергии» Показано, что концентрирование солнечного излучения и слежение за Солнцем позволяют увеличить эффективность его использования, что эквивалентно повышению к.п.д. ФЭП. Применение концентрированного солнечного излучения позволяет увеличить к.п.д. батареи фотоэлектрических преобразователей с 12 - 14% до 15 - 18% в коммерческих энергоустановках. В лабораторных энергоустановках на фотоэлектрических преобразователях этот показатель уже в настоящее время превышает 20%.

Принцип слежения зависит от наличия и типа концентратора. При отсутствии концентраторов или при использовании простейших концентраторов, система слежения должна иметь высокую точность наведения и обычно выполняется в функции интенсивности солнечного излучения.

Концентраторы второго порядка (параболические фоконы или фоклины) позволяют собирать лучи, попадающие во входную зону под углом до 45 градусов и более. Это, во-первых, позволяет использовать не только прямое, но и часть рассеянного солнечного излучения, а во-вторых, угол наведения при суточном ходе Солнца можно изменять только два раза в сутки. Такие системы слежения могут работать в функции времени и являются более простыми и более дешевыми.

Таким образом, существует два основных альтернативных варианта автономных солнечных электростанций - отсутствие или простые концентраторы солнечного излучения в сочетании с системой слежения, требующей значительной энергии на привод, или сложные концентраторы в сочетании с простой и экономичной системой слежения. При этом следует учитывать, что в параболических фоконах и фоклинах при концентрации косых лучей в плоскости фотоэлектрических преобразователей плотность облучения может быть не равномерна, что снижает к.п.д. ФЭП.

Для установления параметров концентрированного солнечного излучения были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых удалось получить зависимость интенсивности на выходе концентратора от угла рассогласования (рисунок 4).

Рисунок 4 - Экспериментальная зависимость интенсивности солнечного излучения на выходе концентратора (угол раскрытия 20^о)

Из полученного графика следует, что концентрация прямого солнечного излучения остается практически постоянной при угле разориентации до 5 градусов. При дальнейшей разориентации концентратора, интенсивность солнечного излучения на его выходе уменьшалась, и при угле разориентации равном 17є стала равной естественной интенсивности солнечного излучения. Такой угол позволяет использовать концентратор в утренние и вечерние часы.

Получив подтверждение того, что параболоцилиндрический фокон способен собирать лучи, попадающие в него под некоторым углом, экспериментально была проверена эффективность фокона при пасмурной погоде, то есть, при рассеянном излучении (рисунок 5). В результате эксперимента установлено, что при пасмурной погоде применение концентратора, направленного на место положения Солнца (диск Солнца скрыт облачностью), позволяет увеличить снимаемую мощность в шесть раз. Использование оптимально фиксированного концентратора в этом же случае обеспечивает увеличение мощности модуля фотоэлектрического преобразователя в два раза, но при этом исключается необходимость в системе слежения и в дополнительных расходах энергии на ее привод.

Рисунок 5 - Мощность фотоэлектрического модуля при рассеянной облученности (R_Н = 10 Ом): 1 - следящий фокон, 2 - оптимально фиксированный ФЭП с концентратором, 3 - оптимально фиксированный ФЭП без концентратора.

При ясной погоде (рисунок 6) и при низкой освещенности в утренние и вечерние часы применение оптимально фиксированного концентратора позволило увеличить мощность, снимаемую с фотоэлектрических преобразователей в 5 - 8 раз, то есть получать мощность равную при работе ФЭП в условиях допустимой освещенности более 350 Вт/м².

Рисунок 6 - Мощность фотоэлектрического модуля (R_Н=10Ом): 1 - фиксированный фокон имеет оптимальные параметры ориентации, 2 - фокон направлен вертикально вверх, 3 - оптимально фиксированный ФЭП без концентратора.

При достаточно большой интенсивности солнечного излучения фотоэлектрический преобразователь под оптимально фиксированным концентратором перегревается и становится неработоспособным.

Вертикально фиксированный концентратор в период солнечного сияния не дает существенного увеличения мощности, снимаемой с фотоэлектрического преобразователя в период недостаточной освещенности. Это объясняется взаимной компенсацией концентрации и затененности модуля. При достаточной интенсивности солнечного излучения более выгодно использовать фиксированный модуль фотоэлектрических преобразователей, имеющий оптимальные параметры ориентации, без концентраторов.

Таким образом, параболоцилиндрические концентраторы эффективны при низкой освещенности (до 200 Вт/м²) и пасмурной погоде.

Энергия ветра преобразуется в электроэнергию в ветроэнергетических установках (ВУ). Ветроколесо преобразует поступательное движение во вращательное, а непосредственно преобразование энергии происходит в генераторе. На работу синхронных генераторов могут отрицательно влиять порывы и провалы ветра.

Учитывая, что вращающий момент ветроколеса должен преодолевать момент сопротивления со стороны генератора и динамический момент, который действует только при , то есть, только при изменении частоты вращения, было получено уравнение, связывающее время разгона, динамический момент и параметры ветроколеса:

, (7)

где R - радиус ветроколеса, м, Z - быстроходность ветроколеса, J - момент инерции ветроустановки, кг.м².

После интегрирования (8), получаем:

, (8)

где б - коэффициент увеличения скорости ветра при порыве (провале).

Анализируя полученное решение, можно сделать следующее заключение. Для увеличения времени возмущения частоты вращения при порывах (провалах) ветра до предельно допустимого значения необходимо не только увеличивать момент инерции ветроэнергетической установки и увеличивать номинальную частоту его вращения (что тривиально), но и уменьшать радиус ветроколеса и рабочую скорость ветра.

На рисунке 7 представлен график зависимости времени разгона ветроэнергетической установки от величины порыва ветра. Как следует из приведенного графика, время разгона ветроколеса до предельно допустимой частоты вращения для ВУ мощностью до 10 кВт, рассчитанных на рабочую скорость ветра 5,5 м/с, не меньше 10 секунд. Этого времени достаточно для поворота лопастей ветроколеса и уменьшения мощности воздействующего на нее ветрового потока.

Как известно, ветроэнергетические установки пропеллерного типа способны вырабатывать электроэнергию с требуемой частотой э.д.с. только при скорости ветра не меньше рабочей. В остальные периоды используется либо резервный источник напряжения, либо запасенная заранее (в энергетические периоды) энергия.

Рисунок 7 - Зависимость времени разгона ветроколеса от порыва ветра при рабочей скорости ветра 5,5 м/с: 1 - J = 10 кг·м², щ_Н = 105 с ^{- 1}; 2 - J = 20 кг.м², щ_Н = 105 с ^{- 1}; 3 - J = 10 кг·м², щ_Н = 157 с ^{- 1}; 4 - J =20 кг.м², щ_Н = 157 с ^{- 1};

Частота вращения ветроустановок роторного типа увеличивается пропорционально скорости ветра. Это создает определенные трудности при применении синхронного генератора в роторных ветроустановках. Однако простота ветроустановок роторного типа и более лучшие эксплуатационные условия использования электросилового оборудования вынуждают искать пути их использования для электроснабжения. На рисунке 8 показана функциональная схема разработанной ветроэнергетической установки, которая позволяет поддерживать частоту вращения генератора стабильной.

Рисунок 8 - Функциональная схема ветроэнергетической установки роторного типа: 1 - ветроколесо, 2 - повышающий редуктор, 3 - инерционный аккумулятор, 4 - обгонная муфта, 5 - понижающий редуктор, 6 - статор машины постоянного тока, 7 - якорь машины постоянного тока, 8 - синхронный генератор.

Установка работает следующим образом. При скорости ветра, более рабочей скорости, статор машины постоянного тока (МПТ) вращается с частотой вращения большей, чем номинальная частота вращения синхронного генератора. Но так как синхронный генератор приводится во вращение от якоря машины постоянного тока, то путем регулирования тока возбуждения МПТ устанавливается такой тормозной момент, при котором она работает в режиме генератора с частотой вращения якоря равной номинальной частоте вращения синхронного генератора.

При уменьшении скорости ветра вплоть до рабочей скорости уменьшается и частота вращения якоря машины постоянного тока относительно статора с таким расчетом, чтобы частота вращения синхронного генератора оставалась номинальной. При этом процесс регулирования качественно сохраняется.

При уменьшении скорости ветра ниже рабочей скорости, происходит реверсирование полюсов якорной обмотки, и машина постоянного тока переводится в двигательный режим. При этом поддержание частоты вращения якоря машины постоянного тока и ротора синхронного генератора производится за счет регулирования тока обмотки возбуждения МПТ.

Такая схема позволяет работать ветроустановке не только на рабочих скоростях ветра, но и на низших скоростях и, что особенно важно, на высших скоростях ветра при обеспечении требуемых значений частоты и напряжения генератора. По проведенным расчетам время качественного использования ветроэнергетической установки увеличивается с 10 - 35% до 60 - 70%.

Анализ аккумуляторов энергии показал, что, исходя из принципа осуществимости, рекомендуется в автономной системе электроснабжения фермерских хозяйств использовать следующие аккумуляторы энергии: механические в виде маховика - для сглаживания порывов и провалов ветра; электрохимические - для накопления электроэнергии во время работы ветроэнергетической установки и солнечной электростанции, и отдачи в нерабочие периоды; тепловые с фазовым переходом - для накопления тепла, получаемого от солнечного излучения, и последующей отдачи.

В главе 5 «методология формирования автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии» приводится разработанная общая методология формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ и методы оптимизации их параметров.

Особенностью автономных электростанций на основе возобновляемых источников энергии является неуправляемость поступающих энергетических потоков. Это вынуждает для обеспечения достаточного уровня надежности электроснабжения резервировать преобразователи энергии возобновляемых источников или применять аккумулирование энергии. Параметры составных частей автономных электростанций (собственно преобразователи энергии возобновляемых источников, резервные топливные электростанции и аккумуляторы энергии) находятся в противоречии друг с другом, что требует оптимизации параметров, обеспечивающих наиболее высокий уровень конкурентоспособности автономных электростанций на основе возобновляемых источников энергии.

Общими требованиями к автономным электростанциям, обеспечивающими их конкурентоспособность, являются следующие:

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 С_К, С_СЛ, С_ФЭП - 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 = У (N_Cjз_Cjt_j). (11)

Здесь N_Cj - интенсивность солнечного излучения в фокусирующей плоскости, Вт/м²; з_Cj - к.п.д. батареи ФЭП при j-той интенсивности; t_j - 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 - 90^о . . . +90^о 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.; д - допустимый угол рассогласования, град.; W_СС - 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 30^о и коэффициентом концентрации 8,7.

з_ФЭП = з_НОМ - 0,001д² (13)

Здесь з_НОМ - номинальный к.п.д. ФЭП.

Тогда условие (12) приобретает следующий вид:

(14)

где - интенсивность солнечного излучения, Вт/м²; F_ФЭП - площадь модуля ФЭП, м².

Максимальная эффективность будет иметь место при максимальном значении левой части (14), которое определяется углом рассогласования д. 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 д = 15^о. Учитывая симметрию зависимости вырабатываемой энергии, оптимальный угловой шаг наведения составляет 2д 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:

?(N_Сj F_Ф з_Ф - N_1j) t_1j з_A = ?(N_2i - N_Сi F_Ф з_Ф) t_2i . (16)

Здесь: N_С - удельная мощность солнечного излучения, Вт/м²; F_Ф - площадь батареи ФЭП, м²; з_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 С_А - емкость аккумуляторной батареи, А.ч.; U_Н - 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 N_Р - расчетная нагрузка, Вт; k_B - удельная стоимость ВУ, руб/м²; k_A - 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).

Рисунок 10 - Чувствительность оптимальной скорости к изменению удельных показателей элементов системы: 1 - исходный вариант, 2 - увеличение удельной стоимости аккумуляторов в 2 раза, 3 - увеличение удельной стоимости ветроустановки в 2 раза.

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.

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 = k_B F - > min, (20)

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

Рисунок 11 - Оптимизация рабочей скорости роторной ветроустановки: 1 - стоимость аккумуляторной батареи, 2 - стоимость роторной ветроустановки, 3 - стоимость автономного энергетического комплекса.

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 (v_P = 1,5v_СР). 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:

S_В0 + S_A0 ? S_B1 +S_A1 + S_C1, (21)

где: S_В0, S_A0, - стоимость ветроэнергетической установки и аккумуляторов без использования солнечной электростанции, руб; S_B1, S_A1 - стоимость ветроэнергетической установки и аккумуляторов при совместном использовании с фотоэлектрической установкой, руб; S_C1 - стоимость солнечной электростанции, руб.

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

(0,5сF_Bv_P³з_Bt_B + N_CF_Фз_Фt_C1 - N_Ht_B + N_CF_Фз_Фt_C2)з_A = N_H(t_A - t_C2), (22)