Электроснабжения сельского производственного объекта на базе СЭУ, ВЭУ и гибридной ветро-солнечной электроустановки

Введение

Производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла теплои электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся исчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т. д.

В начале XXI века, начинается новый значительный этап развития энергетики. Приближающаяся угроза топливного «голода», а также загрязнение окружающей среды этот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждает многие страны с новых позиций обратить внимание на альтернативные (нетрадиционные и возобновляемые) источники энергии, к ним относят: энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр и пр.

По прогнозам специалистов глобальная смена энергетического курса возможна за период около 50 лет. Кроме того, предельные затраты для общества будут снижены, и могут стать даже отрицательными в том случае, если реформы будут тщательно спланированы и станут неотъемлемой частью модернизации производства. Все это потребует значительных начальных инвестиций и разработки долгосрочных стратегий.

Так же потребуется кардинальное изменение систем производства и поставки энергии вместе с энергопотребляющим оборудованием. Согласно прогнозу Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), на долю АИЭ в 2020 г. будет приходиться 1150 — 1450 млн. тонн условного топлива (5,6 — 5,8% общего энергопотребления). К 2030 г. АИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50−70% современного уровня потребления энергии.

В данной работе мы обратили внимание на такие виды возобновляемой энергетики, как солнечная и ветровая. В настоящее время эти две отрасли наиболее динамично развиваются с технологических и экономических позиций и внедряются по всему миру. Достоинства этих видов очевидны: и солнечный свет и ветер — как энергоносители — доступны в любой точке земного шара, технологии преобразования их в электрическую энергию были изучены еще в конце прошлого века и все время модернизируются и удешевляются, а также срок службы и простота эксплуатации позволяют использовать ветровые и солнечные установки даже в локальных масштабах. Ключевым фактором в нашей работе является именно проблема электроснабжения удаленного от центральных энергосетей объекта, решить которую мы беремся с использованием альтернативных источников энергии: солнца и ветра — как источников широко распространенных и благодаря современным технологиям легкодоступных.

Итак, рассмотрим варианты электроснабжения сельского производственного объекта на базе СЭУ, ВЭУ и гибридной ветро-солнечной электроустановки. Ко всем прочим достоинствам этих видов возобновляемых ресурсов, комбинирование их позволит предотвратить перебои электроснабжения, а также удешевить установку, за счет перекрытия в объемах производства энергии по сезонам.

Таким образом, необходимо определить какой тип станции будет лучшим, при кооперации — какой тип источника энергии будет основным, а какой второстепенным, — для чего мы произведем расчет для двух вариантов комбинирования, учитывая обязательно экономическую эффективность обоих решений.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОДОВЫХ НАГРУЗОК ОБЪЕКТА Исходные данные.

В качестве исходных данных дано:

· Р_МАХ=10 кВт,

· Типовые графики нагрузок для бытовых потребителей,

· Регион — Рязань,

· Таблицы инсоляции по месяцам, оптимальный наклон модуля.

Следует упомянуть, что графики типовых электрических нагрузок для бытовых потребителей заданы для характерных суток всех сезонов. Поэтому примем, что в каждом месяце одного сезона характер потребления и его модуль идентичны.

С помощью типовых графиков нагрузок были построены графики характерных сезонных суточных нагрузок с учётом следующих условий:

· Р_{МАХ.ЗИМА}=10 кВт;

· Р_{МАХ.ВЕСНА}=9 кВт;

· Р_{МАХ.ЛЕТО}=7 кВт;

· Р_{МАХ.ОСЕНЬ}=8 кВт.

Рисунок 1. Характерный график суточных нагрузок для лета.

Графики нагрузок, соответствующие им таблицы приведены в приложении А.

Расчёт среднесуточного потребления энергии.

Расчёт суммарной потребляемую энергию за месяц:

Остальные значения потребления были рассчитаны аналогично, все значения сведены в следующую таблицу:

Таблица 1. Значения потребления энергии, характерного месяца в сезоне.

2. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ОБЪЕКТА СОЛНЕЧНЫМИ МОДУЛЯМИ

2.1 Расчёт количества солнечных модулей Первым этапом определения количества солнечных модулей для района Рязань является определение положения солнечных модулей, примем оптимальный наклон солнечного модуля, примем что солнечные модули будут работать круглый год, примем, что солнечные модули не будут загораживаться деревьями, зданиями и прочими помехами. По значениям инсоляции для региона Рязань составим следующую таблицу:

Таблица 2. Значения инсоляции, годовые.

2.2 Выбор числа и типа солнечных модулей Примем к установке каркасные солнечные модули мери МСК [2]:

Таблица 3. Основные технические характеристики солнечного модуля.

Допустим, среднемесячное значение инсоляции за выбранный период равно Е (кВт· ч/м2), тогда модуль мощности P (Вт) в течении этого периода сможет сгенерировать следующее количество энергии W (кВт· ч):

Приведём пример расчёта для января:

Остальные данные рассчитаем аналогично и сведём в таблицу:

Таблица 4. Объёмы энергии, производимые одним солнечным модулем.

Отнесём количество энергии, производимое одним солнечным модулем, к паспортной мощности модуля и получим значение количества необходимых модулей для полного снабжения электроэнергией потребителя.

Рассчитаем среднее количество солнечных модулей и примем это количество к установке. Среднее количество составило 260 модулей.

Сведём данные в таблицу:

Таблица 5. Количество солнечных модулей для каждого месяца:

2.3 Выбор числа и типа аккумуляторных батарей Для расчета числа аккумуляторных батарей рассмотрим характерные сутки. Рассчитаем избыток и дефицит энергии за характерные сутки каждого месяца и сведём в таблицу:

Таблица 6. Избыток и дефицит энергии.

Далее для расчета кол-ва батарей рассматриваем периоды с избытком энергии. Определяем среднюю продолжительность дня и ночи для рассматриваемых месяцев. Данные занесем в таблицу 7:

Таблица 7. Средняя продолжительность дня и ночи

Определяем расход энергии ночью в характерные сутки, используя графики нагрузок. Данные заносим в таблицу 8:

Таблица 8. Расход энергии в ночное время

Расчет емкости батареи с учетом потерь и допустимой разряда. Так же примем к сведению среднюю температуру за месяц и установку 2х последовательно подключенных батарей.

Данные одной батареи:

Таблица 9. Технические характеристики АКБ

Расчет емкости одного блока (две последовательно соединенные АКБ):

Далее, при известных емкостях батареи и потребности в энергии рассчитаем количество блоков.

Таблица 10. Количество аккумуляторных батарей.

Итого для электроснабжения объекта солнечными модулями в период солнечной активности необходимо:

А. 260 солнечных модулей марки МКС-160

Б. 16 аккумуляторных блоков по 2 батареи марки HZB12200

3. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ОБЪЕКТА ВЕТРОУСТАНОВКАМИ

3.1 Оценка ветрового потенциала в регионе Для оценки ветрового потенциала ветра с сайта были взятые из архива данные за 2011 год. Далее все данные были сведены в отдельную таблицу и составлена градация ветра.

Таблица 11. Градация ветра по скорости, в процентах.

ВЭС необходимо расположить таким образом, что бы ветровой поток не перекрывался другими установками и рельефом местности.

Таблица 12. Градация по направлению.

При помощи этой градации можно подсчитать среднее значение направление ветра, которое составит 187 градусов (северный ветер). Логично будет располагать ВЭС на линии по азимуту 90 или 270 градусов (с востока на запад), на некотором отдалении друг от друга.

3.2 Выбор ветроэлектроустановки электроснабжение энергия ветровой солнечный Было принято решение для генерации электроэнергии применить вертикально-осевой тип турбины с ротором Дарье. Это обусловлено низкими скоростями ветра в регионе и невозможностью использования других типов турбин. С сайта была выбрана ВЭУ ОМ-5000−24(48). С помощью данных на сайте была построена ее механическая характеристика:

Рисунок 2. Механическая характеристика ветротурбины.

С помощью характеристики ветротурбины представляется возможным рассчитать количество энергии, которое сможет генерировать ветроустановка. Но изначально необходимо рассчитать скорость ветра на высоте установки ветротурбины. Примем высоту мачты 20 метров. По формуле [6, стр. 16, табл. 5] рассчитаем скорость на высоте мачты:

Следующим шагом рассчитаем количество энергии, которое будет производить ветротурбина в месяц:

и сведём все эти данные в таблицу:

Таблица 13. Пример таблицы для месяца январь.

Имея данные о производстве электроэнергии и потреблении несложно рассчитать количество необходимых ветрогенераторов. Нижеприведённый расчет выполнен с округлением до большего целого числа.

Таблица 14. Необходимое количество ветроустановок.

Нерентабельно ради двух месяцев 100% энергообеспечения ставить 8 ветроустановок. Примем количество вестроустановок равным 6. В таком случае покрытие нагрузки за счёт ВЭС будет следующим:

Таблица 15. Покрытие нагрузки с помощью ВЭУ

Серым цветом выделены энергодефецитные месяцы.

Очевидно, что пики нагрузки не будут совпадать с пиками ветровой активности. Так же очевидно, что в ночное время нагрузка практически стремиться к нулю. Для покрытия пиковых нагрузок установим аккумуляторные батареи. Для этого примем наиболее загруженный месяц (зимний) и 4 часа пиковой нагрузки. Суммарная энергия потреблённая за 4 пиковых часа составит 33 кВт*ч. При емкости батарей 200 а*ч и с учётом 50% рекомендуемого разряда батареи количество батарей составит 28 штук.

4. ГИБРИДНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

4.1 Солнечные батареи как основной источник. Ветроустановки второстепенный За основу возьмем расчет электроснабжения объекта. Где среднее количество составило 260 модулей. Рассмотрим покрытие энергии данными модулями.

Таблица 16. Избыток и дефицит энергии.

По данным таблицы видим, что есть дефицит электроэнергии в январе, феврале, октябре, ноябре и декабре.

Для дальнейшего расчета числа ВЭУ производим выбор самой установки. Как и в предыдущем варианте электроснабжения было принято решение для генерации электроэнергии применить вертикально-осевой тип турбины с ротором Дарье. Это обусловлено низкими скоростями ветра в регионе и невозможностью использования других типов турбин. С сайта была выбрана ВЭУ ОМ-5000−24(48).

Производим расчет энергии ветра для данных месяцев по данным таблицы 10, рисунка 2. Типовой расчет производим для января месяца.

Таблица 17. Пример таблицы для месяца январь

Для остальных месяцев расчет производим аналогично, итоговые данные заносим в таблицу:

Таблица 17. Энергия ветроколеса по расчетным месяцам

По данным таблицы 17 определим число ВЭУ необходимых для покрытия дефицита в расчетные месяцы (см. таблица 15).

Для января:

Таблица 19. Количество ВЭУ по расчетным месяцам

Исходя из необходимости покрытия 100% нагрузки, количество ВЭУ выбираем по максимальному значению. Расчетное количество ВЭУ, необходимых для покрытия дефицита нагрузки, равно четырем.

Выбор числа батарей для покрытия нагрузки в ночное время для характерных суток производим с учетом уже имеющихся в комплекте с ВЭУ аккумуляторных батарей.

Определяем ночное энергопотребление.

Таблица 20. Энергопотребление в ночной период

Далее рассматриваем месяцы, где недостаточно мощности ВЭУ для покрытия ночной нагрузки.

Расчет емкости батареи с учетом потерь и допустимой разряда. Так же примем к сведению среднюю температуру за месяц и установку 2х последовательно подключенных батарей. Данные одной батареи в таблице 9.

Определяем число батарей исходя из того, что ВЭУ работают ночью.

Таблица 21. Количество аккумуляторных батарей.

Принимаем количество блоков по максимальному значению 28.

Итого для электроснабжения объекта необходимо:

А. 260 солнечных модулей марки МСК-165 24 В Б. 4 ветроустановки ВЭУ ОМ-5000−24(48)

В. 28 аккумуляторные блоков по две батареи марки HZB12200

4.2 Ветроустановки как основной источник. Солнечные батареи второстепенный Для электроснабжения объекта ветроутановками, число ВЭУ примем равным 7, исходя из данных таблицы 13. Рассмотрим покрытие энергии данными установками.

Таблица 22. Избыток и дефицит энергии.

По данным таблицы видим, что есть дефицит электроэнергии в мае, июле, сентябре.

Для дальнейшего расчета числа солнечных модулей производим выбор самой установки. Как и в первом варианте электроснабжения было принято решение для генерации электроэнергии применить каркасные солнечные модули мери МСК (характеристики см. таблица 3):

Производим расчет числа модулей для расчетных месяцев по данным таблицы 4.

Таблица 23. Число солнечных модулей

Итоговое количество модулей принимаем по максимальному значению N=64.

Производим расчет необходимого числа аккумуляторных батарей для работы в ночное время с учетом работы ВЭУ и наличие 7 аккумуляторных батарей емкостью 1000 ампер/час. Аккумуляторы выбираем марки МСК-165 24 В Таблица 24. Энергопотребление в ночной период

Таблица 25. Количество аккумуляторных батарей.

По данным таблицы видим, что необходимое число аккумуляторных блоков 6шт.

Итого для электроснабжения объекта необходимо А. 7 ВЭУ ОМ-5000−24(48)

Б. 64 солнечных модулей марки МСК-165 24 В В. 6 аккумуляторные блоков по две батареи марки HZB12200

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ Для технико-экономического расчета возьмем только стоимость оборудования по 2 м вариантам.

Сравним затраты на стоимость оборудования:

Таблица 26. Стоимость оборудования

Где вариант 1 гибридная ЭС с преобладанием солнечных модуле, а вариант 2 гибридная ЭС с преобладанием ВЭУ.

В итоге получаем, что в данном случае экономически выгодно устанавливать гибридную электростанцию на основе ВЭУ.

Заключение

Исходя из проведенной курсовой работы можно сказать, что электроснабжение объектов альтернативными источниками энергии возможно и причем, это довольно успешное мероприятие. В связи с большим разнообразием оборудования и доступности в использовании необходимых данных, существует возможность просчитать и спроектировать электроснабжение с помощью нетрадиционной энергетики в любом регионе России.

С другой стороны встает вопрос стоимости и окупаемости данных проектов. На примере проведенных расчетов можно сказать, что в данное время ветроэнергетика является экономически более целесообразно. Хотя и она довольно дорогостоящая, себестоимость электроэнергии за 1кВ/ч достигает в некоторых случаях 150−200р, что естественно нецелесообразно для нашего региона. У возобновляемой энергетики большой потенциал, даже судя по европейским странам, где она занимает не последнее место. Совместно с внедрением ее в нашу жизнь, улучшаются технологии производства установок, качество и себестоимость. Большой рынок производства способствует этому.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. http://www.online-electric.ru/dbase/graph24.php

2. http://www.solbat.su

3. http://www.timezone.ru

4. Сервер «Погода России». — URL: http://meteo.infospace.ru/win/wcarch/html/r_sel_stn.sht?adm=611. Дата обращения: 06.04.2012.

5. Ортогональные ветроустановки ОМ-1000−24(2000;24, 3000−24, 5000−24). — URL: http://teploplen.com. Дата обращения: 06.04.2012.

6. Лукутин Б. В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении: монография / Б. В. Лукутин, О. А. Суржикова, Е. Б. Шандарова. — М.: Энергоатомиздат, 2008. — 231 с.