Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей 12
1.1. Сельскохозяйственные объекты автономного электроснабжения 12
1.2. Анализ вариантов электроснабжения 14
1.3. Анализ возобновляемых источников энергии 23
1.4. Анализ научно-технических достижений в области применения возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве 39
1.5. Формулировка проблемы и задачи научных исследований . 61
2. Общая методика исследовании 67
2.1. Направление исследований 67
2.2. Методы исследований 68
3. Система автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 72
3.1. Построение системы автономного электроснабжения и определение ее границ 72
3.2. Анализ потребителей электрической энергии 79
3.3. Исследование потоков поступления энергии 91
4. Анализ преобразователей и аккумуляторов энергии 115
3.1. Преобразователи энергии солнечного излучения 115
3.2. Преобразователи энергии ветра 146
3.4. Аккумуляторы энергии 164
5. Методология формирования автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 175
5.1. Обоснование целевой функции оптимизации автономных систем электроснабжения 175
5.2. Автономная система электроснабжения на основе солнечной электростанции 177
5.3. Автономная солнечная электростанция с разделенной во времени бытовой и производственной нагрузкой 191
5.4. Автономная электростанция на базе ветроэнергетической установки пропеллерного типа 205
5.5. Автономная электростанция на базе ветроэнергетической установки роторного типа 212
5.6. Автономная система электроснабжения на базе ветроустановки и топливной электростанции 215
5.7. Автономная система электроснабжения на основе солнечной электростанции и ветроэнергетической установки 220
5.8. Методы определения параметров автономных систем электроснабжения при их формировании 228
6. Технико-экономический анализ автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 242
6.1. Экономически целесообразные условия применения 242
6.2. Экономическая эффективность автономных систем электроснабжения, сформированных по предлагаемым методикам 249
Заключение 257
Литература 261
Приложения 289
- Анализ научно-технических достижений в области применения возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве
- Исследование потоков поступления энергии
- Автономная система электроснабжения на основе солнечной электростанции
- Экономическая эффективность автономных систем электроснабжения, сформированных по предлагаемым методикам
Введение к работе
С конца прошлого столетия в экономике России произошли значительные изменения. Эти изменения, в первую очередь, заключались в переводе ее на рыночные отношения и признании многоукладное, когда наряду со старыми формами коллективного хозяйствования стали появляться и частные хозяйствующие субъекты. В аграрном секторе это отразилось в появлении фермерских, крестьянских и других частных хозяйств. В настоящее время число таких хозяйств не только не уменьшилось, а напротив, увеличилось в сотни раз. Так в Южном Федеральном округе в 2007 году число фермерских хозяйств1 превысило 20 тысяч штук.
По некоторым понятным причинам российские фермеры оказались удалены от энергетических коммуникаций, в частности от линий электропередачи, на значительные расстояния. Это породило проблему автономного электроснабжения, которая в начале решалась традиционными методами, то есть за счет использования автономных топливных электростанций. Однако последующее лавинное увеличение стоимости нефтепродуктов на фоне законов рыночной экономики потребовало изыскания альтернатив топливным электростанциям. Необходимость освоения альтернативных источников энергии для частного сельскохозяйственного производства отвечает и современным интересам национальной энергетики, что еще раз подтвердило диалектические законы развития общества, и показало, что новые проблемы нельзя решать традиционными методами.
В качестве альтернативных источников энергии в России и во всем Мире рассматриваются синтетические топлива, атомная энергетика и возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Априорно для фермерских хозяйств реальное практическое значение представляют нетрадиционные и возобнов-
1 - подразумеваются любые хозяйствующие субъекты, владеющие частным сельскохозяйственным производством
ляемые источники энергии, особенно солнечное излучение, ветер и биотопливо, имеющие место в достаточном количестве на всей территории России с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако, их применение для автономного электроснабжения в России также оказалось проблематично, во-первых, из-за весьма заметного отставания отечественных энергоустановок на ВИЭ от мировых, а во-вторых, из-за отсутствия научно обоснованных методов формирования автономных электростанций на этих источниках энергии, отвечающих современным экономическим требованиям хозяйствования. При этом простой перенос мировых достижений в отечественные условия не может привести к положительным результатам из-за принципиальных отличий в хозяйствовании.
В соответствии с этим для национального сельского хозяйства реальна проблема освоения возобновляемых источников энергии для автономного электроснабжения. Мало того, сельское хозяйство России с его малыми формами хозяйствования может стать первым масштабным потребителем ветроэнергетических и гелиоэнергетических установок, применение которых ограничивается низкой плотностью соответствующих источников энергии. В этом плане, проблему освоения возобновляемых источников энергии для автономного использования в сельском хозяйстве следует считать не отраслевой, а общенациональной, соответствующей мировым тенденциям развития энергетики.
Кроме того, возобновляемые источники энергии находятся в среде обитания человека в естественном состоянии, следовательно, их можно использовать, не нанося экологического урона, то есть, создаются предпосылки решения и экологических проблем современной энергетики.
Растущая потребность применения возобновляемых источников энергии диктует необходимость интенсивного повышения эффективности (конкурентоспособности) автономных систем электроснабжения на их основе. Как показывает мировой опыт освоения возобновляемых источников энер-
гии, значительных успехов в повышении конкурентоспособности автономных систем электроснабжения можно достичь путем оптимизации их параметров. Это требует разработки соответствующих методов формирования энергосистем на основе ВИЭ. Методы формирования таких автономных систем, разработанные за рубежом, не могут быть использованы в российских условиях из-за производственно-экономических различий, а методы использования возобновляемых источников энергии в централизованных системах электроснабжения не могут быть применены для автономного электроснабжения из-за различных условий использования. В этой связи появляется ряд научно исследовательских задач по разработке методов формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ (в частности, на основе энергии солнечного излучении и ветра), решение которых представляет теорию и методологию построения соответствующих автономных систем электроснабжения, и являющихся основой для повышения их конкурентоспособности.
Учитывая мировой опыт развития малой энергетики на возобновляемых источниках энергии можно ожидать, что это направление в современных условиях окажется эффективно, так как не требует значительных материальных затрат и создает условия для оптимального использования существующих и разрабатываемых преобразователей энергии (фотоэлектрических преобразователей и ветроэлектростанций).
На основании изложенного, целью работы стало научное обоснование методов формирования автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе энергии солнечного излучения и ветра, обеспечивающих их эффективное использование с учетом изолированности системы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.
В главе 1 проанализированы сельскохозяйственные объекты, требующие автономного электроснабжения, научно-технические достижения в области использования ВИЭ в автономных системах электроснабжения, выявлена научная проблема, сформулирована научная гипотеза и задачи исследований.
В главе 2 выбрано направление и приведена общая методика исследований.
В главе 3 проведен системный анализ автономных электростанций на возобновляемых источниках энергии.
В главе 4 проведен анализ преобразователей и аккумуляторов энергии.
В главе 5 приводится теория формирования автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ.
В главе 6 определены условия экономически эффективного применения ВИЭ в сельских автономных системах электроснабжения и разработаны инженерные методы определения оптимальных параметров таких систем.
В Заключении приводятся полученные результаты научных исследований и сформулированы научные выводы.
Научная гипотеза - одна и та же надежность поставки электроэнергии может быть обеспечена различными автономными системами электроснабжения на основе ВИЭ, отличающимися параметрами и составом. При этом стоимость электроэнергии зависит от параметров и состава этих систем, и функция этой зависимости имеет минимум.
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.
Решаемая научная проблема — разработка общей методологии формирования автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии, 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-технической программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению агропромышленного комплекса Российской Федерации на 1996 - 2000 г.г. и на 2001 - 2005 г.г. в соответствии с научной проблемой "Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения аграрно-промышленных предприятий, как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Южного, Приволжского и Уральского федеральных округов" и на 2006 - 2010 г.г. в соответствии с научной проблемой 09 "Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства", задания 06.38.23 "Повышение эффективности использования возобновляемых источников энергии для автономного энергообеспечения".
Апробация научных результатов - основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях АЧГАА, ВНИПТИМЭСХ, Кубанского ГАУ, Ставропольского ГАУ, Челябинского ГАУ, на международной школе-конференции, проводимой Российской академией электротехнических наук совместно с Воронежским ГТУ, на 6-й Международной научно-технической конференции ВИЭСХ.
Основные положения диссертации опубликованы в 35 трудах, в том числе 11 в изданиях, рекомендуемых ВАК. По результатам диссертации издано две монографии и два учебных пособия, одно из которых имеет гриф
УМО вузов России. Публикации и издания по диссертации составляют 43 печатных листа, в том числе 38 авторских печатных листов. Научная новизна исследований включает:
правило приведения случайных величин, и методика ускоренного
получения статистических параметров графика нагрузки, основанная
на этом правиле, позволяющая получать типичные графики потреб
ления электроэнергии автономными сельскохозяйственными объек
тами.
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 электро
снабжения на основе энергии солнечного излучения и ветра, и мето
ды обоснования и оптимизации параметров этих систем, учитываю
щие нерегулярность ВИЭ и случайный характер потребления элек
троэнергии.
Практическую значимость диссертации составляют:
типичные графики нагрузки фермерских хозяйств и других сельско
хозяйственных объектов на территории ЮФО, позволяющие значи
тельно 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.
На защиту выносятся следующие положения.
Результаты системного анализа автономных электростанций на основе возобновляемых источников энергии, заключающиеся в установлении закономерностей поступления энергии солнечного излучения и ветра, потребления энергии, особенностей функционирования преобразователей энергии в рамках автономной системы.
Правило приведения случайных величин и методика ускоренного получения графика нагрузки автономных потребителей электроэнергии.
Разработанные и защищенные патентами Российской Федерации ветроустановка роторного типа, позволяющая вырабатывать электроэнергию переменного тока в широком диапазоне скоростей ветра, и модуль солнечной электростанции, обеспечивающий более эффективное использование энергии солнечного излучения.
Общая методология формирования автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии, методы и результаты оптимизации их параметров.
Рекомендации по эффективному применению автономных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии.
Анализ научно-технических достижений в области применения возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве
Проведенные в нашей стране и за рубежом научные исследования в направлении повышения эффективности солнечных электростанций, ветро-электростанций и систем электроснабжения на их основе, создали объективные предпосылки для увеличения их конкурентоспособности.
Наиболее изучены потенциальные возможности возобновляемых источников энергии в различных климатических зонах. В качестве примера таких современных отечественных исследований можно привести работы А.Х.Тлеулова [211] по изучению потенциальных возможностей возобновляемых источников энергии и их корреляции с графиками нагрузки.
Л.А.Саплиным проведены комплексные исследования возобновляемых источников энергии в зоне Южного Урала и разработана методика выбора оптимального сочетания различных источников энергии, включая и традиционные [180, 181, 182]. Эта методика успешно реализована для централизованного электроснабжения в условиях Челябинской и Свердловской областей. Однако для автономного электроснабжения методика Л.А.Саплина (как и результаты работ А.Х.Тлеулова) не может быть применена в полной мере, так как не учитывались существенные условия автономного электроснабжения. При автономном электроснабжении от систем на основе ВИЭ потребитель может получать электроэнергию только от автономных электростанций. Автономные ветровые и солнечные электростанции могут выдавать электроэнергию только при поступлении энергии от соответствующего ВИЭ, а так потоки возобновляемой энергии нерегулярны, то производство и потребность в электроэнергии могут не совпадать.
Нерегулярность подачи электроэнергии в автономном режиме обусловливает ситуации несовпадения потоков ее производства и потребления. При этом для более полного использования ВИЭ целесообразно аккумулировать избыточную энергию. Это позволит увеличить надежность поставки электроэнергии потребителю, но может привести к увеличению ее стоимости. В сетевом электроснабжении такой ситуации быть не может, так как всегда есть потребность в электроэнергии
Усилиями Кубанского ГАУ под руководством доктора технических наук Р.А.Амерханова разработана методика оптимизации систем энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии [7, 8, 208]. Применение этой методики позволяет значительно увеличить эффектив ность использования возобновляемых источников энергии для производства тепла. Вместе с тем непосредственное применение этих работ для повышения конкурентоспособности автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ невозможно по тем же причинам - различные условия в автономном и централизованном режимах. Следует отметить, что вообще большинство исследований в этой области посвящено созданию энергоустановок на возобновляемых источниках энергии, работающих на сетевое электроснабжение, за исключением работ по использованию энергии солнечного излучения для электроснабжения космических аппаратов. Но здесь имеют место явные особенности. Автономному использованию возобновляемых источников энергии в земных условиях придавалось гораздо меньшее значение.
Во ВНИПТИМЭСХ, под руководством А.Н.Михальчука, а в последнее десятилетие под руководством В.Т.Фомичева, были проведены широкомасштабные исследования перспектив использования энергии ветра и солнечного излучения [221, 222]. В результате дано ряд рекомендаций по применению ветроэнергетических и солнечных установок для электрификации небольших сельскохозяйственных объектов, не предъявляющих высоких требований к надежности электроснабжения. Так, рекомендуется использовать ветро- и гелиоустановки в комплексе с аккумуляторными батареями емкостью порядка 100 А.ч для электроснабжения домов рыбака, овцеводческих точек и т. п. В некоторых случаях и ВИЭСХ предлагает использовать возобновляемые источники энергии для подобных объектов.
При этом не удалось избежать некоторых ошибок, препятствующих широкому внедрению полученных результатов. Так, не учитывалось, что на этих объектах производство ведется вахтовым методом, то есть, на эти объекты периодически приходит какой-либо транспорт, который легко может доставлять и менять аккумуляторы такой емкости. При этом дополнительных расходов на транспортировку аккумуляторов не потребуется, а саму зарядку можно проводить в предназначенных для этого сельских мастерских.
Кроме того, при разработке рекомендаций по применению возобновляемых источников энергии занижались реальные требования к надежности электроснабжения, что также снижало их конкурентоспособность по сравнению с передвижными электростанциями и сетевым электроснабжением.
Наиболее значительные успехи в области автономного применения возобновляемых источников энергии были достигнуты в ВИЭСХ под руководством талантливого ученого и руководителя, академика Д.С. Стребкова. Удалось добиться координированных усилий по применению энергоустановок на возобновляемых источниках энергии между сельскохозяйственными НИИ и вузами с одной стороны, и научно-промышленными объединениями, такими, как НПО "Ветроэн", НПО "Сатурн" и др. с другой стороны. В результате был создан целый ряд энергоустановок, использующих различные виды возобновляемой энергии и способных работать в автономном режиме [2, 15, 16, 28, 152, 153, 195 - 204, 227 и др.]. ВИЭСХ первый в стране обратил внимание на возможность повышения эффективности использования энергии солнечного излучения путем его концентрации, и добился в этом направлении значительных успехов. Параллельно с увеличением конкурентоспособности энергоустановок на возобновляемых источниках энергии тщательно исследовался и рынок. Так ВИЭСХ была предложена классификация потенциальных пользователей возобновляемых источников энергии в зависимости от уровня комфортности [146].
Исследование потоков поступления энергии
Так как рассматриваемые нами возобновляемые источники энергии (солнечное излучение и ветер) имеют различную природу, то их анализ проводится раздельно для каждого, с последующим определением степени взаимной коррелированности. Солнечное излучение. Интенсивность солнечного излучения имеет сезонный характер и изменяется в течение суток. Параметры солнечного излучения, попадающего на земную поверхность, регистрируются метеостанциями в течение многих лет. Эти данные могут использоваться при расчете автономных систем электроснабжения на основе солнечных электростанций. Однако данные метеостанций [192] являются усредненными, и текущие значения заметно отличаются от приведенных средних значений. Текущие значения интенсивности солнечного излучения и продолжительности их действия зависят от широты местности, климатической зоны, времени года и суток, и других факторов. В силу этого они носят случайный характер, что так же необходимо учитывать при системном анализе автономного электроснабжения. В солнечных электростанциях на фотоэлектрических преобразователях большое значение имеет интенсивность солнечного излучения, попадающего на фотоприемник, которая зависит от взаимной ориентации Солнца и солнечного коллектора (рисунок ЗЛО). На рисунке ЗЛО азимутальный угол Солнца равен нулю, то есть
Солнце находится строго на юге. Спектр солнечного излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой приблизительно 5800 -К, и его можно разделить на три основные области [96, 207 и др.]: ? ультрафиолетовое излучение (X 0,4 мкм) - 9%; ? видимое излучение (0,4 мкм X 0,7 мкм) - 45%; ? инфракрасное излучение (X 0,7 мкм) - 46%. На рисунках 1.3 - 1.6 показаны среднестатистические графики солнечного излучения, достигающего поверхности Земли на широте Ростовской области. Это среднестатистические данные метеостанций, то есть, строго говоря, графики изменения математического ожидания интенсивности солнечного излучения в течение суток по сезонам года. Для определения параметров системы автономного электроснабжения необходимо иметь график гарантированной интенсивности солнечного излучения. В силу того, что интенсивность солнечного излучения является случайной величиной, то под ее гарантированным значением следует понимать такое значение, меньше которого интенсивность не опустится с определенной вероятностью. Известно достаточно много исследований, в результате которых математически описываются типичные климатические условия для определенной местности [8, 25, 89 и др.]. Так Пейджом [84, 178] предложено определять суммарную плотность солнечного излучения следующим образом: сферы Вт/м ; а, b - эмпирические коэффициенты для данной местности; ts - среднесуточное число часов солнечного сияния в j-тый день, час; Ts - максимально возможное число часов солнечного сияния в j тый день, час; Is - солнечная постоянная, здесь Is = 1,94 кал/см .мин.; irij - день года; шс - часовой угол восхода Солнца; фм - широта местности. Предложенная формула не может быть применена для расчета автономной системы электроснабжения, так как не учитывает часовое изменение плотности солнечного излучения, а значит, оно не может быть сопоставлено с графиком нагрузки. Кроме того, эмпирические коэффициенты а и b различны для разной климатической местности и зависят не только от ее географической широты [84, 207].
На основании изложенного необходимо изыскать метод математического описания плотности солнечного излучения, позволяющий построить часовой (как и для электрической нагрузки) график его изменения. При этом в соответствии с нормами проектирования солнечных установок [80, 98, 175], необходимо использовать опубликованные данные государственных метеорологических служб [192]. 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 какой-то, заранее заданной, вероятностью. Такая вероятность интенсивности солнечного излучения соответствует вероятности попадания случайной величины в заданный интервал, и может быть определена следующим образом: где P(Nx N Nmax) - вероятность того, что интенсивность солнечного излучения будет находиться в интервале Nx. \Nmax; Nx - гарантированная интенсивность солнечного излучения, Вт/м ; Нпах - максимально возможная интенсивность солнечного излучения в данной местности, Вт/м2. Если интенсивность солнечного излучения распределена по нормальному закону, что имеет место на территории Ростовской области, то искомую вероятность можно определить, используя функцию Лапласа [78]
Автономная система электроснабжения на основе солнечной электростанции
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. Все эти варианты имеют различные технико-экономические показатели и, следовательно, различную эффективность. Причем без соответствующего анализа нельзя отдать предпочтение какому-то конкретному варианту.
Предлагается наиболее эффективным считать вариант, имеющий наибольшую конкурентоспособность 1, 221]. Конкурентоспособность определяется стоимостью получаемой электроэнергии и надежностью получения этой электроэнергии. Для сравнения этих показателей необходимо добиться равенства одного из них, например, надежности. Причем показатель надежности должен быть на очень высоком уровне, так как при низкой надежности энергообеспечения эффективности вариантов сглаживаются.
Наибольшую надежность будет иметь вариант с дублированием солнечной электростанции топливной электростанцией. Однако если учесть общую стратегию развития солнечной энергетики (в конечном счете, полный отказ от углеводородного ископаемого топлива), то дублирование топливной электростанцией может рассматриваться, как промежуточный вариант, а более перспективным будет солнечная электростанция с аккумулированием электроэнергии. Кроме того, необходимо рассмотреть возможность повышения эффективности использования фотоэлектрических преобразователей за счет концентрирования солнечного излучения.
Стоимость концентраторов и систем слежения соизмеримы, кроме того системы слежения требуют собственных затрат электроэнергии, соизмеримой с нагрузкой. Это обусловливает задачу отыскания наиболее эффективного варианта автономной солнечной электростанции.
Учитывая, что тип концентратора не только диктует требования к системе слежения, но определяет и площадь батареи фотоэлектрических преобразователей, целевую функцию в рамках поставленной задачи можно представить в следующем виде: где Ск, ССл СФЭП - соответственно стоимость концентраторов, системы слежения и батареи ФЭП, руб.; W — вырабатываемая за фиксированный период электроэнергия, кВт.ч.
Стоимость концентраторов практически не зависит от его 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 м , то из целевой функции (5.3) 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: Или переходя от интегрирования к дискретному суммированию (что соответствует метеорологическим данным [192]), получаем: Здесь Nq - интенсивность солнечного излучения в фокусирующей плоскости в j-тый период, кВт/м2; TCj - КПД батареи ФЭП при j-той интенсивности; tj - продолжительность периода с j-той интенсивностью, час; w - электроэнергия, получаемая с единичной площади батареи фотоэлектрических преобразователей, кВт.ч/м . В формуле (5.5) наибольшую трудность представляет определение КПД батареи фотоэлектрических преобразователей в зависимости от ее облученности. Известна следующая зависимость КПД от степени концентрации и температуры [11, 32, 175]: чс = Ло(1+Р1пК)(1-хЛТ) (5.6) где: л о - КПД ФЭП без концентратора; Р — коэффициент, соответствующий однократному солнечному излучению; X - температурный градиент, зависящий от типа концентратора град-1; AT - приращение температуры в результате концентрации солнечного излучения, град. Применение зависимостей (5.5) и (5.6) дает приблизительные результаты, так как не учитывается неравномерное облучение фотоэлектрических преобразователей при использовании параболических концентраторов. Тем не менее, если угол фокона не превышает 30, расчет достаточно точен и может использоваться при выборе варианта системы электроснабжения. Предположительно система слежения при таком угле должна обеспечивать изменение параметров наведения 3 раза в сутки. С учетом особенностей концентраторов расчетным путем получено, что параболические концентраторы с апреля по октябрь позволяют полу-чить с 1м" фотоэлектрических преобразователей 3650 Вт.ч электроэнергии постоянного тока, в то время, как концентраторы первого порядка 2900 Вт.ч. [56, 205]. То есть, применение параболических концентраторов позволяет получить на 26% больше электроэнергии постоянного тока. На основании полученных данных и осредненных стоимостных показателей элементов солнечной электростанции были проведены сравни тельные предварительные расчеты для различных вариантов (рисунки 5.1 5.2) из которых следует, что наиболее конкурентоспособным вариантом является система слежения с трехкратным наведением и параболическими концентраторами. При этом принято, что стоимость системы слежения с параболическими концентраторами составляет 0,8 - 0,2 от стоимости системы слежения с концентраторами прямого излучения.
Экономическая эффективность автономных систем электроснабжения, сформированных по предлагаемым методикам
Альтернативой разработанным системам электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии являются системы, сформированные на основе известных рекомендаций [6, 8, 21, 81, 100, 105, 127, 140, 146, 153, 181, 188 и др.]. Как следует из проведенных исследований, экономический эффект основан на снижении стоимости электроэнергии и получен за счет оптимизации параметров автономных систем электроснабжения. Стоимость электроэнергии определяется следующим образом: где сэ - стоимость электроэнергии, руб./кВт.ч; К - капитальные вложения на создание автономной системы электроснабжения, руб.; ан - нормативный коэффициент амортизационных отчислений, отн.ед.; И - эксплуатационные издержки, руб.; W - произведенная и потребленная электроэнергия, кВт.ч. Капитальные вложения зависят от автономной системы электроснабжения, поэтому экономическому анализу следует подвергнуть все рассматриваемые варианты. Капитальные вложения для этой автономной системы электроснабжения определяются следующим образом: где км - коэффициент монтажа; SBY - стоимость ветроустановки, руб.; SA - стоимость аккумуляторных батарей, руб.; SBcn - стоимость вспомогательного оборудования (инверторы, выпрямители, коммутаторы и др.), руб.
Параметры вспомогательного оборудования не зависят от параметров ветроустановки и аккумуляторных батарей, для всех систем рассматриваемо го варианта равнозначны и их стоимость может быть исключена из дальнейшего анализа. Стоимость ветроустановки и аккумуляторных батарей зависят от их параметров, и их расчет для мощности электростанции 1 кВт представлен в таблице 6.2. Эксплуатационные издержки имеют следующие составляющие: где 8эл - стоимость сменного электролита, руб.; Зто - затраты на техническое обслуживание системы электроснабжения, руб.; ЗТР - затраты на текущий ремонт системы электроснабжения, руб. Так как современные электрохимические аккумуляторы являются необслуживаемыми и неремонтируемыми [120, 128], то затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт альтернативных систем электроснабжения определяются только мощностью электроустановок. В этом случае соответствующие составляющие (6.10) можно исключить из экономического анализа в силу их равнозначности по альтернативным вариантам. Затраты на смену электролита можно определить исходя из следующих рекомендаций [128]: электролит должен быть заменен полностью в течение пяти лет. В этом случае ежегодные затраты на смену электролита в электрохимических аккумуляторах составляют: Здесь Сэл - цена электролита, руб/кг; т0 - удельная масса электролита, кг/А.ч; СА - емкость аккумуляторных батарей, А.ч. В соответствии с (6.11), учитываемые годовые эксплуатационные издержки составят: - по базовому варианту ... 9600 руб; - по предлагаемым вариантам ... 1700 руб. Стоимость электроэнергии при использовании нагрузки 3600 часов в год приведена в таблице 6.3. Как следует из проведенного анализа, стоимость электроэнергии снижается на 48% при использовании ветроустановок с горизонтальной осью вращения.
Применение ветроустановок роторного типа с вертикальной осью вращения в соответствии с запатентованным изобретением /$$$/ позволяет уменьшить стоимость электроэнергии на 65%. В рамках Южного Федерального округа ожидаемый экономический эффект от внедрения автономных ветроэлектростанций (при 50%-ном охвате) составит 200 - 280 млн. рублей. Экономический эффект от предлагаемых методов формирования солнечных электростанций достигается за сет минимизации площади батареи фотоэлектрических преобразователей (см. главу 5). При этом площадь ФЭП выбирается исходя из возможности параллельной работы с аккумуляторами при максимальной нагрузке. Кроме того, применение концентраторов в зависимости от интенсивности солнечного излучения (запатентованное изобретение [161]) позволяет дополнительно уменьшить площадь фотоэлектрических преобразователей на 25%. Солнечные электростанции наиболее эффективно применять для передвижных объектов (пасеки, пастбища с электропастухом и т.п.).
