Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности энергоснабжения сельского хозяйства и пути его совершенствования 12
1.1 Особенности энергопотребления сельского хозяйства 13
1.2 Пути совершенствования энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей 15
1.3 Использование возобновляемых источников и классификация источников энергии 19
1.4 Опыт использования солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве 30
1.5 Основные задачи и принципы энергообеспечения потребителей с использованием возобновляемых источников 46
Постановка задачи исследования 48
Глава 2 Методология определения рационального сочетания традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей 51
2.1 Принципы исследования рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения 51
2.2 Разработка системы комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников 55
2.3 Принципы исследования подсистемы энергоснабжения с использованием солнечной и ветровой энергии 63
2.4 Основные характеристики модели функционирования подсистемы ВИЭ и принципы их исследования 69
2.5 Условия определения рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе комплексного энергоснабжения 78
Выводы по второй главе 81
Глава 3 Показатели использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения и методы их оценки 83
3.1 Принципы согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии в системе энергоснабжения 84
3.2 Схемы согласования в системе комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников 89
3.3 Показатели использования возобновляемых источников в системе комплексного энергоснабжения 96
3.4 Методы оценки условий энергообеспечения и замещения потребной энергии от ВИЭ 102
Выводы по третьей главе 112
Глава 4 Определение энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии 114
4.1. Определение энергетических характеристик солнечной радиации 114
4.2 Определение энергетических характеристик ветрового потока 137
4.3 Исследование режимов совместного поступления солнечной и ветровой энергии 151
Выводы по четвертой главе 164
Глава 5 Исследование режимов функционирования гелио- и ветроэнергетических установок 166
5.1 Исследование режима функционирования гелиоустановки 166
5.2 Исследование режима работы ветроэнергетической установки 174
5.3 Экспериментальные исследования ГЭУ и ВЭУ
в условиях Южного Урала 192
Выводы по пятой главе 204
Глава 6 Разработка и исследование технических решений по эффективному использованию солнечной и ветровой энергии 207
6.1 Разработка технических решений для эффективного использования солнечной и ветровой энергии 207
6.2 Разработка имитационной модели функционирования подсистемы энергоснабжения ВИЭ 218
6.3 Методика проведения эксперимента на имитационной модели 224
6.4 Результаты экспериментальных исследований на имитационной модели 230
Выводы по шестой главе 252
Глава 7 Технико-экономическое обоснование системы комплексного энергоснабжения с использованием солнечной и ветровой энергии 254
7.1 Экономические показатели системы комплексного энергоснабжения 254
7.2 Определение технико-экономических показателей подсистемы ВИЭ 257
7.3 Исследование оптимальной площади солнечной и ветровой установки 262
7.4 Определение условий эффективного использования солнечной и ветровой энергии 264
7.5 Исследование технико-экономических показателей подсистемы ВИЭ в условиях Южного Урала 269
7.6 Разработка рекомендации по выбору рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения 277
Выводы по седьмой главе 279
Заключение и основные выводы 281
Список используемой литературы
- Опыт использования солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве
- Разработка системы комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников
- Схемы согласования в системе комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников
- Определение энергетических характеристик ветрового потока
Введение к работе
Актуальность проблемы. Сельское хозяйство, определяющее продовольственную безопасность страны, относится к числу энергоемких отраслей. Ограниченные запасы органического топлива и непрерывный рост затрат на их использование требуют поиска путей рационального использования энергетических ресурсов. Одним из путей является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Экономический потенциал возобновляемых источников велик, и их доля в мировом энергопотреблении может составить 10-12%. В России экономический потенциал возобновляемой энергии составляет около 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов, что является благоприятным условием для решения энергетических проблем.
Из числа ВИЭ наиболее перспективными по признаку доступности потребителям являются использование солнечной и ветровой энергии. В мире действует большой парк гелио- и ветроэнергетических установок (ГЭУ, ВЭУ) с суммарной мощностью более 200 ГВт. В России, по разным причинам, использование ГЭУ и ВЭУ весьма незначительно.
Таким образом, существует экономико-хозяйственная проблема в объективной необходимости использования ВИЭ в сельскохозяйственном производстве. Её интерпретация в научно-техническую область требует решения двух проблем: определение условий эффективного использования возобновляемых источников и создание эффективных схем совместного использования традиционных и возобновляемых источников для рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения.
Анализ систем энергоснабжения в сельском хозяйстве показывает, что ВИЭ, как правило, рассматривается как дополнительный источник. Тогда система энергоснабжения с использованием ВИЭ должна иметь научно обоснованную структуру для рационального использования энергоресурсов.
Рациональное сочетание потребляемых энергоресурсов может быть определено на стадии проектирования системы энергоснабжения. Однако недостаточная проработка методологических основ и общих методических положений в проектировании энергосистемы с использованием ВИЭ не позволяет выбрать рациональное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов.
В условиях развитой гелио- и ветротехники наиболее актуальными становятся вопросы эффективного их использования путем согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии. Отсутствие научно обоснованных показателей и методов их оценки не позволяют определить условия эффективного использования ВИЭ в системе энергоснабжения.
Настоящая работа посвящена решению научной проблемы теоретического обоснования рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов для эффективного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с учетом потенциала солнечной и ветровой энергии на примере Челябинской области, позволяющих решать задачи структурной оптимизации комбинированной системы энергоснабжения конкретного сельскохозяйственного потребителя.
Работа выполнена в соответствий с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг. «Технологии, оборудование и проекты энергетического, тепло- и хладообеспечения сельского хозяйства, в том числе с использованием солнечной и ветровой энергии», принятой Межведомственным координационным советом РАСХН.
Цель работы. Разработка методологии рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей для снижения затрат на потребляемую энергию.
Объект исследования. Комбинированная система энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием гелио- и ветроэнергетических установок.
Предмет исследования. Взаимосвязи функционирования гелио- и ветроэнергетических установок в комбинированной системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:
-
Провести анализ состояния энергоснабжения в сельском хозяйстве и разработать методологию выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.
-
Разработать показатели и методы оценки использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения путем согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии.
-
Определить энергетические характеристики возобновляемых источников и условия функционирования гелио- и ветроэнергетических установок при раздельном и совместном использовании солнечной и ветровой энергии.
-
Разработать технические решения для согласованного действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения и исследовать режимы их работы путем имитационного моделирования.
-
На основе технико-экономических показателей системы энергоснабжения обосновать оптимальные параметры гелио- и ветроэнергетических установок и условия эффективного энергообеспечения потребителей от ВИЭ.
-
Разработать рекомендации по выбору рационального сочетания потребляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей (на примере Челябинской области).
Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований является системный подход к анализу комплексной схемы энергоснабжения. В работе использованы основные положения теоретической электротехники и теплотехники, электро- и теплоснабжения сельского хозяйства, теории вероятностей и математической статистики, а также методы математического моделирования процессов в системе энергоснабжения, использующей возобновляемые источники, и оптимизации параметров системы.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждаются: применением и адекватностью математических аппаратов при моделировании режимов работы системы энергоснабжения; использованием разработанных пакетов прикладных программ для вычислительного и имитационного экспериментов и анализа полученных данных; удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными.
Научную новизну работы составляют:
– методология рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения;
– показатели и методы оценки использования ВИЭ в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей;
– зависимости показателя энергообеспечения потребителей и замещения традиционных энергоресурсов от основных параметров гелио- и ветроэнергетических установок и энергетических характеристик ВИЭ;
– зависимости энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии для определения условий функционирования ГЭУ и ВЭУ при раздельном и совместном их использовании;
– методы выбора оптимальных параметров ГЭУ и ВЭУ и определения условий эффективного использования ВИЭ.
Практическая значимость работы:
– метод оценки доли замещаемой энергии от ВИЭ для выбора рационального сочетания потребляемых энергоресурсов;
– методика определения энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии при раздельном и совместном их использовании;
– методы выбора оптимальной площади солнечных коллекторов и ветроколеса ВЭУ и определения условий эффективного использования возобновляемых источников в системе энергоснабжения;
– технические решения для согласованного действия традиционных и возобновляемых источников в системе энергоснабжения;
– рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения;
– учебная программа по подготовке студентов по специальности «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства», учебное пособие под грифом УМО и монография.
Реализация результатов исследований:
– результаты исследования используются институтом «Челябинскагропромпроект» для проектирования гелиоустановки; гелиоустановка и на ее базе гелиоветроэнергетическая установка внедрены в АО «Калининское» Брединского района Челябинской области;
– рекомендации по выбору рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов используются МСХ Челябинской, Оренбургской и Департаментом с. х. Курганской областей, ОАО институт «Агропромпроект» и ЗАО «Челябинскагропромэнерго»;
– рекомендации по использованию солнечной и ветровой энергии приняты к реализации ОАО «Государственный ракетный центр имени В.П.Макеева», ОАО «Челябоблкоммунэнерго» и ОАО «Челябэнерго»;
– результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства».
На защиту выносятся следующие положения:
- методология выбора рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей;
- принципы согласования режимов поступления и потребления возобновляемой энергии и показатели использования ВИЭ в системе энергоснабжения;
- показатели энергообеспечения потребителей и замещения традиционной энергии в зависимости от основных параметров гелио- и ветроэнергетических установок и энергетических характеристик ВИЭ;
- зависимость оптимальной площади солнечных коллекторов и ветроколеса ВЭУ от технико-экономических показателей системы энергоснабжения и условия эффективного использования ВИЭ;
- методика и результаты оценки энергетических характеристик солнечной и ветровой энергии;
- результаты оценки доли замещаемой энергии от ВИЭ в зависимости от основных параметров ГЭУ и ВЭУ и энергетических характеристик источника.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-технических конференциях: ЧГАА (ЧИМЭСХ, ЧГАУ) (г. Челябинск, 1988-2010 гг.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1988 г.), СЗНИИМЭСХ (г. Пушкино, СПб., 2002 г.), УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.), КрасГАУ (г. Красноярск, 2010); на научно-технических семинарах и координационных совещаниях «Перспективы применения нетрадиционных источников энергии в АПК» (г. Симферополь, 1989 г.) и «Нетрадиционные электротехнологии в сельскохозяйственном производстве и быту села» (г. Кацивели, 1991 г.); на республиканских научно-технических конференциях «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Киев, 1990 г.) и «Использование солнечной энергии в народном хозяйстве» (г. Ташкент, 1991 г.); на Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (МГУ, г. Москва, 2000 г.); на международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ВИЭСХ, г. Москва, 2000-2010 гг.) и «Аграрная энергетика в XXI веке» (г. Минск, 2001г.); на I Евроазиатской конференции «Энергетика настоящего и будущего» (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 научных работ, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, авторское свидетельство и три патента РФ на изобретение, монография, рекомендации, учебное пособие с грифом УМО.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений; объем диссертации 397 с., в том числе основного текста 307 с., список использованной литературы состоит из 305 источников.
Опыт использования солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве
Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей должно быть подчинено основной задаче - обеспечению потребителей энергией соответствующей надежности и требуемого качества. Схема энергоснабжения должна обеспечить выполнение заданной функции при минимальных затратах.
Известны различные схемы энергоснабжения сельских потребителей с использованием первичных и преобразованных энергетических ресурсов. В основном они ориентированы на органическое топливо, запасы которого ограничены, а затраты на использование — имеют тенденции к росту.
В связи с этим энергетическая политика должна быть направлена на совершенствование структуры топливно-энергетического баланса сельского хозяйства. Соответственно необходимо освоение новых видов энергии, разработка и освоение энергосберегающих технологий и техники, рационализация системы обеспечения топливом и электроэнергией. Энергоснабжение сельского хозяйства зависит от уровня развития, как всего народного хозяйства, так и самой энергетики, от структурных изменений в общеэнергетической системе страны. Тенденция изменения расхода энергетических ресурсов является решающей для обоснованного выбора структуры расхода отдельных их видов.
Существующая система энергоснабжения народного хозяйства включает в себя системы электро- и теплоснабжения. Электростанции в основном ориентированы на газомазутное топливо, размещены вблизи электрических нагрузок и объединены в одну энергетическую систему.
Концентрация производства электроэнергии и централизация ее распределения являются объективным условием развития электроэнергетики. В централизованной системе электроснабжения подведенная к потребителю электрическая энергия равна энергетическому эквиваленту добытого органического топлива за вычетом потерь при добыче, транспортировке, хранении и преобразовании первичного топлива в электрическую энергию, а также расходов на собственные нужды электростанции и потерь в электрических сетях.
В децентрализованной системе электроснабжения источником энергии являются местные электрические станции (МЭС), например, дизельные электростанции ДЭС или газопоршневые электростанции (ГПУ) [132]. В данной системе первичное топливо от места добычи попадает на перерабатывающие заводы. После переработки поступает на базы снабжения и топливные склады, а оттуда уже непосредственно на местную электростанцию. Разница между энергетическим эквивалентом добытого органического топлива и подведенной электрической энергией определяется потерями при добыче, транспортировке и хранении органического топлива, при преобразовании топлива в электроэнергию, расходами на собственные нужды и потерями в электрических сетях.
В схеме энергоснабжения также можно выделить централизованную и децентрализованную системы теплоснабжения. Централизованное теплоснабжение осуществляется через тепловые электростанции, в частности ТЭЦ. Относительная доля централизованного теплоснабжения в обеспечении теплового потребления составляет примерно 50% [94]. В энергетическом эквиваленте тепловая энергия меньше первичного топлива в связи с потерями при добыче, транспортировке и хранении органического топлива, при преобразовании и передаче тепловой энергии по тепловым сетям.
В децентрализованной системе теплоснабжения более 60% приходится на отпуск тепла от городских, сельскохозяйственных и промышленных котельных, около 40% - от мелких теплогенерирующих установок (ТГУ) в сельской местности и поселках городского типа [94]. В энергетическом эквиваленте потери первичного топлива аналогичны таковым децентрализованной схемы электроснабжения, за исключением потерь на перерабатывающем заводе, когда используется твердое топливо.
Таким образом, схемы энергоснабжения включают в себя базу добычи соответствующего природного энергетического ресурса, транспортировку его до базы топливоснабжения экономического или административного района и далее до места потребления. В зависимости от вида энергетического ресурса меняются характер и техническое использование топливных установок, транспортные связи, базы снабжения и хранения топлива; принципиальная же схема топливоснабжения остается без изменения. В принципиальной схеме могут быть изменения в составе элементов схемы углеснабжения, нефтеснабжения и газоснабжения.
По данным специалистов, существующий топливно-энергетический баланс России нельзя считать рациональным. Так, запасы угля в стране превышают в несколько раз запасы газа, а потребляется уголь в три раза меньше, чем газ. Поэтому чрезмерная ориентация на один вид топлива может подорвать основы энергетической безопасности страны.
Для эффективного использования энергетических ресурсов требуется изменение структуры используемых энергетических ресурсов. Для этого необходимо учитывать все возможные факторы. К сожалению, известные методы не позволяют выбрать научно обоснованную структуру потребляемых энергетических ресурсов. Одним из факторов, определяющих структуру потребления энергоресурсов, являются затраты на их использование. В настоящее время государство имеет возможность регулировать цены на энергоносители: энергетические комиссии, действующие в каждом регионе, определяют стоимость (тариф) на отдельные виды энергоносителей. Поэтому снижение стоимости определенного вида энергоносителей может стать причиной роста их потребления.
Схемы энергоснабжения сельского хозяйства далеко не однородны: часть сельских районов находится в зоне высокой концентрации электрических сетей, вблизи мощных газораспределительных пунктов или узловых железнодорожных станций. В той или иной схеме энергоснабжения возможно ограничение на получение электрической энергии или природного газа. В этих условиях необходимо предусмотреть надежную (резервную) схему энергоснабжения, в частности изучить возможности использования местных энергетических ресурсов, в число которых входят и нетрадиционные возобновляемые источники энергии [60, 186].
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) широко используются в системе энергоснабжения. В мире все больше растет роль возобновляемых источников в энергообеспечении потребности. Использование ВИЭ позволяет: - снизить потребление органического топлива и направить сэкономленное топливо для других целей, где ожидается его эффективное использование; - полностью удовлетворить потребность в энергии в случае ограничения поставок традиционных энергетических ресурсов; - улучшить экологию окружающей среды.
Для использования ВИЭ необходимо разрабатывать специальные схемы энергоснабжения потребителей. При этом следует учитывать существующие технические решения по использованию традиционных источников.
Возобновляемые источники могут быть использованы для получения как электрической, так и тепловой энергии. Анализ возможности использования возобновляемой энергии и существующих традиционных источников позволит их классифицировать по виду получаемой полезной энергии.
Разработка системы комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников
Анализ и опыт использования солнечной и ветровой энергии показали, что в настоящее время известно достаточно много разнообразных технических решений по преобразованию ВИЭ и схемных решений по использованию гелио- и ветроэнергетических установок.
Энергетические установки могут быть представлены как система с соответствующими признаками. При этом гелио- и ветроэнергетические установки представляют собой совокупность отдельных элементов, связанных между собой структурно и выдающих полезную продукцию в виде преобразованной электрической и тепловой энергии.
Эффективность энергообеспечения с использованием ВИЭ определяется на стадии проектирования путем разработки технологии их использования и оптимизации параметров энергоустановки. Для разработки основных методических положений по проектированию подсистемы энергоснабжения от ВИЭ требуются соответствующие исследования.
В ходе исследования подсистемы ВИЭ требуются ее морфологическое и функциональное описание. Морфологическое описание системы позволяет получить полное представление об ее структуре и характере связей между элементами. Обязательными являются входные и выходные элементы.
При морфологическом описании системы очень важно указать, как именно рассматривать входные элементы системы: как часть системы или как часть внешней среды. Выходные элементы представляют собой результаты взаимодействия элементов системы. Функциональное описание системы позволяет оценить ее состояние, то есть свойства в заданный момент времени или ее поведение, изменение свойств во времени. Функциональное описание системы имеет более широкий характер и это возможно после исследования ее структуры и связи между элементами.
В нашем случае для рассматриваемой подсистемы ВИЭ входом являются неуправляемые потоки возобновляемой энергии, выходом - преобразованная тепловая или электрическая энергия. Самой подсистемой является ге-лио- или ветроэнергетическая установка (ГЭУ, ВЭУ) или гелиоветроэнерге-тическая установка (ГВЭУ), включающая в себя совокупность устройств. Внешней средой для данной подсистемы являются другие подсистемы энергоснабжения (рис. 2.6).
Подсистема энергоснабжения на основе ВИЭ как объект исследования с морфологической точки зрения известна. В настоящее время на достаточно высоком техническом уровне решены и решаются проблемы преобразования солнечной и ветровой энергии. Известны направления развития гелио- и ветротехники, представляющие совокупность устройств для преобразования возобновляемой энергии в другие виды полезной энергии. Функциональное описание подсистемы ВИЭ возможно на основе системного подхода. Системное исследование подсистемы ВИЭ позволяет выявить условия использования возобновляемых источников.
Границы исследуемой подсистемы ВИЭ определяются необходимостью согласования режимов поступающей и потребляемой возобновляемой энергии после преобразования. С учетом поставленных условий формируется структура исследуемой подсистемы (рис. 2.7).
Для функционального описания выделяются три важных элемента подсистемы ВИЭ: возобновляемый источник с соответствующей энергетической характеристикой; энергетическая установка с определенными параметрами для преобразования возобновляемой энергии; потребитель оказывающий влияние на условия использования возобновляемой энергии. Каждый выделенный элемент дает представление о режимах происходящего процесса, а в целом позволит оценить условия использования ВИЭ.
Структура подсистемы энергоснабжения от ВИЭ Для системного анализа поведения системы необходимо разработать модель ее функционирования и функциональные показатели, характеризующие степень выполнения заданной функции. При моделировании режима функционирования системы важно учесть принцип обратной связи, позволяющий получать управляющий сигнал для достижения поставленной цели.
Исследование обратной связи, ее возможные проявления считается одним из основных в системном анализе. Однако в рассматриваемой подсистеме входные параметры носят неуправляемый характер и использование обратной связи ограничено или вовсе невозможно из-за ее отсутствия.
В связи с этим главные аспекты поведения, механизм функционирования системы и присущие ей свойства выявляются путем анализа соответствия между ее входами и выходами. Исследование системы и присущих ей особенностей поведения всегда сопровождается попытками создать некий образ будущей системы. При этом на первый план выходит математическая модель как основа научных исследований.
Таким образом, для исследуемой подсистемы ВИЭ необходимо создать модель функционирования. В ходе исследования подсистемы энергоснабжения от ВИЭ необходимо: 1. Составить модель функционирования исследуемой подсистемы энергоснабжения от ВИЭ. 2. Определить показатели для оценки качества функционирования подсистемы, позволяющие контролировать эффективность достижения поставленной цели. 3. Установить закономерности влияния управляемых параметров на состояние системы в целом и определить их допустимые значения, характеризующие возможные ограничения на управляющие воздействия. Модель функционирования исследуемой подсистемы приведена на рис. 2.8. Результатом функционирования подсистемы является полезная энергия от ВИЭ (QB) передаваемая технологическому объекту.
Схемы согласования в системе комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников
При определении корреляционной связи между двумя климатическими элементами коэффициенты корреляции принято вычислять в первую очередь. Если коэффициент корреляции получается большим, то связь, как правило, линейная. Нелинейная связь между метеорологическими элементами обычно не бывает тесной, тогда учет нелинейности связи не требуется, потому что получаемое при этом уточнение меньше погрешности расчета характеристики связи. Отсюда корреляционное отношение в климатологии используется сравнительно редко.
Более полезным в случае нелинейных связей является вычисление коэффициентов качественной корреляции, которые дают более детальную поинтер-вальную характеристику и линейного, и нелинейного вида между исследуемыми элементами. Если коэффициент корреляции и корреляционное отношение характеризуют тесноту связи между двумя элементами в целом, то коэффициенты качественной корреляции позволяют судить о степени связности между собой отдельных интервалов метеорологических элементов [98].
Основой для расчета качественных коэффициентов корреляции служит таблица двумерного распределения. Качественный коэффициент корреляции рассчитывается по формуле [98] где ру - двумерная повторяемость сочетаний элементов xj и у-}; pi, pj - повторяемости ХІ и yj соответственно.
Значения р заключены в пределах от —1 до 1. При р =1 значения xj сочетаются только со значениями yj и наоборот. В этом случае pjj=pi=pj. При р= —1 появление значения ХІ полностью исключает появление yj и наоборот, так как
Значения р, равные нулю или близкие к нему, свидетельствуют об отсутствии статистической связи между xj и yj, так как pij=Pipj. Такое заключение справедливо и при наличии слабой или незначимой связи, когда р 0,3.
Таким образом, качественный коэффициент корреляции характеризует сочетаемость различных значений составляющих комплекса и позволяет судить о степени случайности наблюдаемых сочетаний.
Одним из важных вопросов при расчете климатических характеристик является определение необходимого периода обработки, обеспечивающего искомой характеристике достаточную точность. По данным, приведенным в предыдущих разделах, удовлетворительная точность может быть достигнута при использовании десятилетних рядов наблюдений.
Для исследования корреляционной связи между двумя метеорологическими элементами необходимо составить двумерную статистическую совокупность. Для исследования режима совместного поступления солнечной и ветровой энергии в качестве исходной информации используются данные синхронных наблюдений за продолжительностью солнечного сияния и скоростью ветра. По этим данным составляется двумерное распределение. От двумерного распределения можно перейти к показателям любых расчетных характеристик.
Для получения комплексных показателей солнечной и ветровой энергии на Южном Урале были обработаны десятилетние ряды синхронных наблюдений за указанными величинами на двух характерных метеостанциях - Кизиль-ское и Челябинск. Выбор этих пунктов наблюдения обосновывается тем, что они расположены в зонах, целесообразных по гелиоветроиспользованию для сельских потребителей [13, 214].
В результате обработки наблюдений для каждого месяца были сформированы таблицы повторяемости различных интервалов солнечного сияния и скорости ветра. В табл. 4.17 и 4.18 приводятся результаты исследования для центральных месяцев сезонов.
Анализ данных показывает, что вероятность совместного появления ожидаемого солнечного сияния и скорости ветра в условиях второй ветровой зоны находится в пределах 0-10%, в условиях третьей зоны 0-20%. В целом вероятность совместного появления заданной величины солнечного сияния и скорости ветра очень низка.
Для оценки тесноты связи между отдельными интервалами продолжительности солнечного сияния и скоростью ветра были рассчитаны коэффициенты качественной корреляции. Полученные результаты показывают, что значения данных коэффициентов не превышает 0,2 и в большинстве случаев составляет 0,1. Столь малые значения говорят о том, что между отдельными интервалами изучаемых величин статистическая связь слабая.
Таким образом, следует считать, что рассматриваемые возобновляемые источники энергии поступают независимо друг от друга, и случайные величины независимы. В этом случае вероятность совместного появления S и v определяется на основании теории умножения вероятностей: p(S,v) = p(S)p(v). (4.29)
Величина p(S,v) определяет лишь вероятность сочетания конкретных S и v в случае их независимости. По вероятности одновременного появления солнечного сияния и скорости ветра можно вычислить интегральную функцию или обеспеченность суммарной энергии от двух возобновляемых источников.
Для практических целей более важно знать условную повторяемость скорости ветра. По данным наблюдений, исследована условная повторяемость скорости ветра при заданной продолжительности солнечного сияния. Эти данные приведены в Приложениях 2.4 и 2.5.
В табл. 4.19, в качестве примера приведены результаты исследования для двух месяцев рассматриваемых пунктов наблюдений. В таблице приведена скорость ветра, обеспечивающая среднесуточную мощность ветрового потока.
Определение энергетических характеристик ветрового потока
ВЭУ вырабатывает электроэнергию, которая поступает сначала в стабилизатор, затем в выпрямитель. Выпрямленный ток поступает в автономный инвертор для получения трехфазного тока стандартной частоты. Часть вырабатываемой ВЭУ энергии поступает потребителю, часть - на заряд аккумуляторной батареи (АКБ). При этом стабилизатор поддерживает требуемое напряжение на выходе пропорционально сигналу датчика, воздействующего на систему управления стабилизатором, а АКБ работает в буферном режиме для сглаживания колебаний мощности. Контроллер заряда при достижении полного заряда АКБ отключает ее, и вырабатываемая ВЭУ энергия полностью передается потребителю. При этом блок управления контролирует мощность, поступающую в бак-аккумулятор, в зависимости от напряжения на выходе ВЭУ, которое регистрируется датчиком напряжения.
При снижении напряжения ниже минимального уровня, обеспечивающего качество электроэнергии, блок управления воздействует на регулятор мощности, который снижает потребляемую нагревательным элементом мощность до его полного отключения. Дальнейшее снижение напряжения возможно из-за снижения скорости ветра или роста потребляемой мощности.
Рост потребляемой мощности снижает напряжение на выходе ВЭУ и когда стабилизатор не в состоянии поддерживать требуемое напряжение, АКБ начинает разряжаться. При снижении заряда АКБ до заданного значения, контроллер подает сигнал в реле запуска для замыкания контактов выключателя и включения ДВС, вращающего синхронный генератор. Количество электроэнергии, вырабатываемой ДВС, управляется регулятором мощности, сигнал на который подается от блока управления пропорционально сигналу датчика напряжения, и потребитель получает электроэнергию от ВЭУ и синхронной машины. При этом возможен заряд АКБ от ВЭУ.
При низкой скорости ветра, когда напряжение на выходе ВЭУ ниже требуемого, датчик напряжения подает команду на размыкание контактов выключателя, и вырабатываемая энергия от ВЭУ поступает в бак-аккумулятор. Синхронная машина снабжает электрической энергией потребителя и по необходимости АКБ. При полном заряде АКБ отключается контроллером.
Рассмотрим режим работы устройства, когда v Vo. При отсутствии или низкой скорости ветра потребитель получает энергию от синхронной машины. Количество электрической энергии, вырабатываемой синхронной машиной, управляется регулятором мощности, который изменяет количество подаваемого топлива в ДВС пропорционально величине датчика мощности. При отсутствии потребителей электроэнергии датчик мощности подает сигнал в регулятор мощности для прекращения работы ДВС. Для предотвращения подачи,напряжения от синхронной машины на ВЭУ предусмотрено реле обратного тока.
По необходимости энергия, вырабатываемая синхронной машиной, используется и для теплоснабжения. Для качественного теплоснабжения температура теплоносителя в баке-аккумуляторе контролируется блоком управления, который сравнивает температуру в баке-аккумуляторе с заданным значением.
Таким образом, предлагаемое устройство для автономного энергоснабжения потребителей позволяет повысить надежность энергоснабжения и эффективность использования энергии ветра. Для предлагаемой схемы необходимо определить возможную долю замещаемой энергии оценивая количества тепловой и электрической энергии получаемой от источников и обосновать оптимальные параметры ВЭУ.
Для расширения возможности ветроэлектрической установки в системе комплексного энергоснабжения разработаны специальные технические решения [116, 117]. Система энергоснабжения позволяет повысить надежность энергоснабжения и срок службы отдельных элементов, в частности аккумуляторной батареи. Система автономного энергоснабжения приведена на рис. 6.3.
Система автономного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием ВЭУ предусматривает следующие режимы:
При достаточной скорости ветра выпрямленное напряжение генератора выше напряжения на зажимах аккумуляторной батареи (АБ) и диод закрыт, а катушка реле (KV1) своим контактом замыкает цепь катушки контактора КМЗ для подключения ВЭУ к шинам потребителя через инвертор и стабилизатор напряжения. Блок формирования сигналов (БФС) воздействует на управляющий вход инвертора с целью формирования синусоидального напряжения на выходе инвертора. Электроэнергия подаётся к потребителям и к зарядному устройству, работающему в режиме «постоянной зарядки».
При снижении скорости ветра, напряжение на генераторе снижается, и через диод подаётся питание к инвертору от АБ. При этом генератор отключается от нагрузки, что позволяет ветроколесу увеличить скорость вращения на холостом ходу. Когда напряжение генератора увеличивается, диод закрывается и электроснабжение осуществляется от ВЭУ. Во время совместной работы АБ с ВЭУ, она постепенно разряжается на нагрузку и при снижении её заряда до минимального значения зарядное устройство переходит в режим «полной зарядки». В цепи заряда АБ появляется ток, срабатывает реле тока (КА2), которое через промежуточное реле КІЛ подаёт команду на запуск автономного источника питания (АИП), работающего на органическом топливе.
