Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии

где: N_C - удельная мощность солнечного излучения, Вт/м².

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

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

Для выяснения конкурентоспособности автономной системы ВУ-СЭ-А была реализована соответствующая этой системе целевая функция (рис. 12).

Рисунок 12 - Стоимость автономной системы электроснабжения на основе ветроэнергетической установки и солнечной электростанции на ФЭП

Как следует из полученных результатов, в настоящее время (при существующих ценах на фотоэлектрические преобразователи и существующих к.п.д.) применять совместно с ветроэнергетической установкой солнечную электростанцию на ФЭП экономически нецелесообразно. Исследование целевой функции при измененных параметрах фотоэлектрических преобразователей и ветроэнергетической установки показало, что только при увеличении к.п.д. фотоэлектрических преобразователей в 2 раза, одновременном снижении стоимости системы слежения и фотоэлектрических преобразователей в 2 раза, и сохранении удельной стоимости ветроэнергетической установки, может стать экономически оправданным их совместное применение.

Для упрощения массовых расчетов автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ были получены уравнения регрессии, построены графики и составлены справочные таблицы.

В главе 6 «Технико-Экономический анализ автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии» определены условия экономически эффективного применения ВИЭ в сельских автономных системах электроснабжения и проведен технико-экономический анализ предлагаемых решений.

На основании экономического анализа было установлено, что автономные системы электроснабжения на основе ВИЭ эффективны, при удалении объектов электрификации на расстояния, указанные в таблице 4.

Автономное электроснабжение на основе солнечных электростанций при современных технико-экономических параметрах фотоэлектрических преобразователей экономически оправдано при удалении от энергосистемы не менее чем на 10 км и для передвижных объектов.

Таблица 4 -Условия применения автономных систем электроснабжения

*) в числителе приведены данные для трехпроводной ВЛ-10, в знаменателе - для однопроводной ВЛ-10.

Технико-экономический анализ показал, что разработанная методология формирования автономных систем электроснабжения позволяет уменьшить стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветровыми электростанциями в 2 - 3 раза, и вырабатываемой солнечными электростанциями на 20%. Эффект от этого по ЮФО составит не менее 400 млн. рублей.

В заключении приводятся полученные результаты исследований, на основании которых сделаны следующие научные выводы.

1. Сопоставление полученных графиков нагрузки автономных сельскохозяйственных объектов, полученных на основе разработанного правила приведения случайных величин и методики ускоренного их получения, со статистическими характеристиками энергии солнечного излучения и ветра показало, что нет достаточной корреляционной связи между потреблением энергии и поступающей энергией ветра, но существует значительная отрицательная корреляционная связь (коэффициент корреляции более 0,6) между потреблением энергии и поступающей энергией солнечного излучения. Это позволяет при оптимизации параметров автономных систем электроснабжения на основе ветроэнергетических установок учитывать среднесуточную эквивалентную мощность нагрузки, в то время как при оптимизации параметров солнечных электростанций необходимо учитывать график потребления электрической энергии.

2. В ходе системного анализа автономных систем электроснабжения установлено, что оптимальная ориентация фиксированных солнечных коллекторов зависит от облачности в течение суток. Так, например, из-за более вероятной облачности на территории Ростовской области во вторую половину светового дня, приемники солнечной энергии должны быть ориентированы на юго-восток с азимутальным углом -12^о и углом наклона 42^о, что уточняет прежние представления об их оптимальной ориентации строго на юг.

3. Системный анализ автономных систем электроснабжения позволил установить, что ветровые и штилевые периоды подчиняются нормальному закону распределения. Статистические параметры функции распределения ветровых и штилевых периодов зависят от скорости ветра. На основании полученных данных, в частности, установлено, что на территории Ростовской области ветер со скоростью не ниже 6 м/с действует с вероятностью 0,9 в течение не менее 7 суток, а ветер со скоростью менее 6 м/с наблюдается подряд не более 4 суток с той же вероятностью.

3. Анализ влияния концентраторов солнечного излучения и систем слежения на к.п.д. фотоэлектрических преобразователей и стоимость солнечных электростанций показал, что наиболее перспективны параболические концентраторы с коэффициентом концентрации 7 - 9 совместно с системами слежения в функции времени. При этом максимальное увеличение полезной энергии достигается при угловом шаге слежения равном половине угла раскрытия концентратора. Установлено также, что для небольших объектов (среднесуточная нагрузка менее 500 Вт) системы слежения применять нерационально, а фотоприемники должны при этом иметь параметры ориентации, указанные в выводе 2.

4. Разработанная методология формирования и методика оптимизации параметров солнечных электростанций позволяют установить предельно возможные размеры батареи фотоэлектрических преобразователей в зависимости от заданной вероятности энергообеспечения. В частности, площадь фотоэлектрических преобразователей для электроснабжения фермерской усадьбы с вероятностью 0,9 при среднесуточной нагрузке 1,5 кВт должна быть не менее 30 м². При уменьшении нагрузки она уменьшается и при 200 Вт составляет 3,5 м².

5. Формирование автономных систем электроснабжения на основе ветроэнергетических установок с аккумуляторами электрической энергии в соответствии с разработанной методологией обеспечивает снижение стоимости электроэнергии не менее чем в 1,5 раза. Реализация разработанных методов обоснования параметров ветроэлектростанций с аккумуляторным резервом показала, что, независимо от среднесуточной мощности нагрузки, оптимальная рабочая скорость ветра равна 5, 5 - 6,5 м/с для пропеллерных и роторных ветроустановок. При совместном использовании ветроэнергетической установки и топливной электростанции оптимальная рабочая скорость ветра равна 10 - 12 м/с. Установлено также, что эти параметры остаются практически неизменными при изменении цен на составляющие автономных систем электроснабжения.

6. Электромагнитная связь ротора генератора с ветроколесом посредством машины постоянного тока обеспечивает стабильную э.д.с. при любых скоростях ветра (патент RU №2313639). Это позволяет использовать для производства электроэнергии переменного тока ветроустановки типа ротора Савониуса, причем время использования энергии ветра увеличивается с 10 - 35% до 60 - 70%. Установлено также, что применение концентраторов эффективно при интенсивности солнечного излучения менее 200 Вт/м² (Патент RU №2331822), что позволяет увеличить время использования ФЭП на 30% и за счет этого уменьшить площадь батареи фотоэлектрических преобразователей на 25%.

7. Определены условия экономически эффективного использования автономных электростанций на основе возобновляемых источников энергии. Так применение ветроэлектростанций с аккумуляторным резервом экономически целесообразно при удалении автономного объекта электроснабжения мощностью 1,5 кВт от линии электропередачи на расстояние более 2 км, совместное применение ветроэлектростанции и топливной станции целесообразно при удалении таких объектов на расстояние 4 км. Применение автономных солнечных электростанций эффективно при удалении на 10 км, при мощности потребителей не более 600 Вт. По сравнению с известными методами формирования автономных систем электроснабжения на основе энергии ветра и солнечного излучения, предлагаемые методические и технические разработки позволяют уменьшить стоимость электроэнергии в 2 раза для ветровых электростанций и на 20% для солнечных электростанций. Это обеспечит годовой экономический эффект только в ЮФО в размере 400 млн. рублей.

электроснабжение излучение ветер энергия

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

Воронин С.М. Оптимизация параметров ветроэнергетической установки для фермерского хозяйства [Текст]/ С.М. Воронин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2000. - № 5. - С. 37-39.

Воронин С.М. Автономное электроснабжение с использованием гелиоустановок [Текст] / С.М. Воронин, С.Н. Лосьев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003 - №2. - С. 20-23.

Воронин, С.М. Перспективы использования энергии солнечного излучения для электроснабжения сельских потребителей в России [Текст] / С.М. Воронин // Известия высших учебных заведений. Сев-Кав. регион. Технические науки. прил. №5. - 2003. - С.36-40.

Воронин С.М. Использование энергии ветра и солнечного излучения для автономного электроснабжения фермерских хозяйств [Текст] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - №1. - С. 10-11.

Воронин С.М. Параметры автономной системы электроснабжения на основе солнечной электростанции [Текст] / С.М. Воронин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - №3. - С. 24-25.

Воронин С.М. Параметры автономной системы электроснабжения на основе гелиоустановок [Текст] / С.М. Воронин, С.В. Оськин, В.В. Вицков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - №8. - с.35-36.

Воронин С.М. Напольный электрообогреватель с аккумулированием тепловой энергии [Текст] / С.М. Воронин, С.В. Панченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - №8. - С. 12-13.

Воронин С.М. К вопросу экспериментального определения интенсивности солнечного излучения [Текст] / С.М. Воронин, С.В. Оськин, В.В. Вицков // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Серия Агроинженер / КубГАУ - Краснодар, 2008. - №1. - С.45-47.

Воронин С.М. Исследование пошаговых систем слежения [Текст] / С.М. Воронин, А.А. Таран // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - №11

Воронин, С.М. Метод получения графиков потребления электроэнергии фермерскими хозяйствами [Текст] / С.М.Воронин // Техника в сельском хозяйстве. - 2008. - №6.

монографии

Воронин С.М. Возобновляемые источники энергии в автономных системах энергоснабжения сельских объектов [Текст] -Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2005. - 118 с.

Воронин С.М. Возобновляемые источники энергии и энергосбережение [Текст] / С.М. Воронин, С.В. Оськин, А.Н. Головко. - Краснодар: ФГОУ ВПО КубГАУ, 2006 - 268 с.

патенты

Патент 2313639 Российская Федерация, МПК F03D 9/02. Ветроэнергетическая установка [Текст]/ Воронин С.М., Жогалев А.П.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - №20006129733/06; заявл. 16.08.2006; опубл. 27.12.2007 Бюл. №36 - 4 с.

Патент 2331822, Российская Федерация, МПК F24J 2/42, F24J 2/54. Модуль солнечной электростанции [Текст] / Воронин С.М., Таран А.А.; Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - №2006142614/06; заявл. 01.12.2006; опубл. 20.08.2008 Бюл. №23 - 3 с.

Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ 2008614883, Российская Федерация. Расчет гарантированного электроснабжения удаленных потребителей с использованием нетрадиционных источников энергии [Текст] / Воронин С.М., Оськин С.В., Пантелеев Е.В., Вантдке А.И., Кроневальд А.Ф.; правообладатель ФГОУ ВПО КубГАУ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 10.10.2008.

прочие публикации

Воронин С.М. Проблемы применения возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве [Текст] / С.М. Воронин // Совершенствование технологических процессов, машин и аппаратов в инженерной сфере АПК: материалы науч. конф. АЧГАА - Зерноград, 1999. - С. 84-86.

Воронин С.М. Правило приведения случайных величин [Текст] / М.А. Таранов, С.М. Воронин, А.С. Воронин // Адаптивные технологии и технические средства в полеводстве и животноводстве. - Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2000. - С. 287-289.

Воронин С.М. Выбор основного и дополнительного возобновляемых источников [Текст] / М.А. Таранов, С.М. Воронин, А.С. Воронин // Адаптивные технологии и технические средства в полеводстве и животноводстве. - Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2000. - С. 285-287.

Воронин С.М. Перспективы применения солнечного излучения для электроснабжения сельских объектов [Текст] / Воронин С.М., Лосьев С.Н. // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе. 1-я Российская научно-практическая конференция: сб. науч. тр. / СтГСХА. - Ставрополь, 2001. - Т.1. - С. 26-29.

Воронин С.М. Схемные решения повышения эффективности ветроэнергетических установок [Текст] / С.М. Воронин, А.П. Жогалев // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: I-я Российская научно-практическая конференция: сб. науч. тр. / СтГСХА. - Ставрополь, 2001. - Т. I. - С. 29-31.

Воронин С.М. Оптимизация параметров автономной ветроэнергетической системы [Текст] / С.М. Воронин, А.П. Жогалев // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: I-я Российская научно-практическая конференция: сб. науч. тр. / СтГСХА. - Ставрополь, 2001. - Т. 1. - С. 32-34.

Воронин С.М. Повышение эффективности ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей [Текст] / С.М. Воронин, А.П. Жогалев // Повышение надежности работы электрооборудования в сельском хозяйстве. - Зерноград: АЧГАА. - 2001. - Вып. 1. - С. 56-59.

Воронин С.М. Повышение надежности электроснабжения сельскохозяйственных объектов с использованием солнечной энергии [Текст] / С.М. Воронин, С.Н. Лосьев // Повышение надежности работы электрооборудования в сельском хозяйстве. - Зерноград: АЧГАА. - 2001. - Вып.1. - С.59-63.

Воронин С.М. Исследование энергетических характеристик ветра [Текст] / С.М. Воронин, А.С. Воронин, А.П. Жогалев // Повышение надежности работы электрооборудования в сельском хозяйстве. - Зерноград: АЧГАА. - 2001. - Вып.1. - С. 90-94.

Воронин С.М. Перспективные варианты автономного электроснабжения фермерских хозяйств на основе использования энергии ветра [Текст] / С.М. Воронин, А.П. Жогалев // Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики. - М.: 2002.

Воронин С.М. Пути совершенствования автономных солнечных электростанций [Текст] / С.М. Воронин, А.А. Таран // Высокие технологии энергосбережения. Труды международной школы-конференции / Российская академия электротехнических наук, ВГТУ. - Воронеж, 2005. - С. 121-123.

Воронин С.М. Концентрирование солнечного излучения [Текст] / С.М. Воронин, А.А. Таран // Научное обоснование реализации национальных проектов в сельском хозяйстве. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА. - 2006. - С.261-266.

Воронин С.М. Обоснование концентраторов солнечного излучения [Текст] / Богатырев Н.И., Григораш О.В., Оськин С.В. и др. // Отчет по НИР "Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и источников электроснабжения для снижения производственных и эксплуатационных затрат на производство сельскохозяйственной продукции" № Гос. регистрации 01.2.00606851 - Краснодар: КубГАУ. - 2006. - 191 с.

Воронин С.М. Системы слежения для солнечных электростанций [Текст] / С.М. Воронин, А.А. Таран. // Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве: сб. науч. тр. / СтГАУ - Ставрополь, 2006. - с.61-65.

Воронин С.М. Анализ вариантов автономных солнечных электростанций [Текст] / С.М. Воронин, А.А. Таран // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. (Вып. 6) Т.1. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 2007. - С.49-55.

Воронин С.М. Исследование теплового аккумулирования напольным электрообогревателем [Текст] / С.В. Панченко, В.Т. Фомичев, С.М. Воронин // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. (Вып. 7) Т.1. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 2007. - С.164-168.

Воронин С.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии [Текст] / С.М. Воронин // Учебное пособие. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007 - 204 с.

Воронин С.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии [Текст] / С.М. Воронин // Курс лекций. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008 - 256 с.

Воронин С.М. Особенности проектирования солнечной электростанции для передвижных пасек [Текст] / С.М. Воронин, А.Э. Калинин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной научно-технической конференции. Ч.4. Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - с.81-86.

Воронин С.М. Математическое моделирование напольного электрообогревателя с фазовыми превращениями [Текст] / С.М. Воронин, С.В. Панченко // Вестник аграрной науки дона. - Зерноград, 2008. - №4. - С.34-36.

Размещено на Allbest.ru