Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Показатели уровня электрификации сельского хозяйства 10
1.2. Характеристики электропотребителей 17
1.3. Надежность систем энергообеспечения сельского хозяйства 20
1.4. Энергосбережение и мероприятия по экономии электроэнергии в СЭССХО 26
1.5. Системы автономного электроснабжения объектов сельского хозяйства 32
1.5.1. Традиционные системы автономного электроснабжения 32
1.5.2. Альтернативные источники электрической энергии 34
1.6. Источник электрической энергии в системах автономного электроснабжения 38
1.7. Постановка задачи исследования 40
Глава 2. Анализ электрических нагрузок сельскохозяйственных комплексов 41
2.1. Общие замечания 41
2.2. Исследование электропотребления на животноводческих комплексах и фермах 41
2.3. Определение значения удельного электропотребления на животноводческих комплексах 50
2.4. Электропотребление на птицефабриках 55
2.5. Определение значения удельного электропотребления на птицефабриках 61
2.6. Выводы и предложения 69
Глава 3. Анализ надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 70
3.1. Показатели надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 70
3.2. Допустимое время перерыва питания 77
3.3. Экономическое выражение надежности в сельскохозяйственном производстве 85
3.3.1. Животноводческие комплексы КРС молочного направления 85
3.3.2. Свиноводческие фермы 90
3.3.3. Птицефабрики 92
3.4. Резервирование в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 96
3.5. Выводы и предложения 99
Глава 4. Использование альтернативных источников электрической энергии в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 100
4.1. Общие замечания 100
4.2. Исследование хода ветра на территории Кемеровской области 100
4.3. Методика оценки эффективности резервных источников электроснабжения : 104
4.4. Газогенераторные установки на вторичных энергоресурсах 107
4.5. Установки анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственных производств 113
4.6. Выводы и рекомендации 119
Глава 5. Исследование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть 121
5.1. Выбор математической модели асинхронного генератора 121
5.2. Моделирование процесса самовозбуждения асинхронного генератора 127
5.3. Моделирование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть с активной нагрузкой 132
5.4. Моделирование работы асинхронного генератора на индивидуальную сеть с двигательной нагрузкой 136
5.5. Выводы и предложения 140
Список литературы 142
Приложение
- Показатели уровня электрификации сельского хозяйства
- Исследование электропотребления на животноводческих комплексах и фермах
- Показатели надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей
- Исследование хода ветра на территории Кемеровской области
Введение к работе
Актуальность работы. Современное состояние электрификации сельского хозяйства обусловлено становлением рыночных отношений в энергоснабжающих организациях и сельскохозяйственных предприятиях. Часть предприятий, производящих сельскохозяйственную продукцию, была преобразована в новые формы хозяйствования, в том числе и фермерские. Электрические сети, возводившиеся для сельскохозяйственных предприятий, были безвозмездно переданы на баланс энергосистем. Существенные изменения произошли и в ценообразовании тарифов на электроэнергию. Если до 1991 г. тарифы на электроэнергию устанавливались централизовано и были едиными для сельского хозяйства, а льготный тариф составлял 1 коп за 1 кВт-ч, то сегодня каждая энергоснабжающая организация устанавливает через региональные энергетические комиссии свои тарифы, которые постоянно увеличиваются.
Доля энергозатрат в себестоимости сельскохозяйственной продукции с 3,8% выросла после 1991 г. до 20...30%, а по некоторым предприятиям, в том числе и птицефабрикам до 30...50%. Однако увеличение себестоимости сельскохозяйственной продукции обусловлено не только постоянным ростом тарифов на энергоносители, но и неэффективным их использованием. Технологическое оборудование животноводческих комплексов и птицефабрик эксплуатируется на протяжении 30...40 лет, а по этому из-за повышенного износа снижается его эффективность. Программы, направленные на снижение потребления энергии за счет энергосберегающих технологий и техники без снижения объемов производства продукции, из-за недостатка финансирования не достигают своей цели.
Еще одной проблемой для предприятий сельского хозяйства являются продолжительные перерывы в подаче электрической энергии,
которые происходят при отказах в системах электроснабжения. Причем вероятность отказов возрастает с каждым годом из-за старения элементов систем электроснабжения (СЭС). Отказы в СЭС приводят к значительным убыткам, среди которых наибольший убыток терпят животноводческие комплексы и птицефабрики. Эти предприятия относятся ко второй и первой категориям по надежности электроснабжения, для которых перерыв питания либо не допускается вообще и требуется резервный источник, либо допускается в течение обусловленного времени. Однако в большинстве случаев энергоснабжающие организации не в состоянии обеспечить выполнение этого требования.
Повысить надежность систем электроснабжения сельскохозяйственных предприятий можно за счет сетевого или местного резервирования. Известно, что местное резервирование для объектов сельского хозяйства более эффективно экономически, чем сетевое. Нашей промышленностью выпускаются автономные электростанции различной мощности, работающие на дизельном топливе и на газе. В первом случае их эксплуатация связана со значительными затратами топлива и на его доставку в силу значительной удаленности объектов сельского хозяйства от мест хранения ГСМ. Во втором случае их использование сдерживается слабой степенью газификации России вообще, и Сибирского региона в особенности.
В настоящее время большое внимание уделяется техническим решениям, позволяющим одновременно повысить надежность систем электроснабжения сельскохозяйственных предприятий и сократить расходы на энергообеспечение. И чем меньше будут экономические затраты на внедрение таких технических решений, тем доступней они будут для массового использования.
Одним из таких решений могут являться автономные резервные источники электрической энергии, работающие на альтернативных
энергоносителях (ветровая энергия, биогаз и др.)- Обеспечение резервирования системы электроснабжения животноводческих комплексов и птицефабрик электрической энергией от автономных источников на нетрадиционных энергоносителях позволит избежать перерывов в подаче электрической энергии во время отказов со стороны энергосистемы, а при частичном или полном переводе питания электропотребителя от автономного источника позволит значительно сократить затраты на энергообеспечение.
Таким образом, изложенное выше определяет актуальность проблемы и необходимость проведения исследований для выбора рациональных режимов электроснабжения животноводческих комплексов и птицефабрик.
Цель работы - разработка методов и вероятностных математических моделей для выбора рациональных энергосберегающих режимов электроснабжения животноводческих комплексов и птицефабрик на примере Кемеровской области.
Идея работы состоит в применении методов математической статистики и теории вероятности для установления закономерностей электропотребления и выбора энергосберегающих режимов на животноводческих комплексах и птицефабриках.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
закономерности распределения электропотребления сельскохозяйственными комплексами в течение суток и года;
вероятностно - статистические модели электропотребления на животноводческих комплексах и птицефабриках на примере Кемеровской области;
методика расчета удельного электропотребления с учетом его сезонности;
числовые характеристики допустимого перерыва электроснабжения в различных режимах работы сельскохозяйственных комплексов;
выбор рациональных энергосберегающих режимов электроснабжения за счет использования нетрадиционных автономных источников электрической энергии;
законы регулирования емкости конденсаторов возбуждения асинхронного генератора с учетом параметров генератора и нагрузки.
Научная новизна.
Впервые установлены закономерности суточного, сезонного и годового электропотребления животноводческими комплексами и птицефабриками на примере Кемеровской области и определены их статистические характеристики.
Разработан метод определения удельного расхода электроэнергии на животноводческих комплексах и птицефабриках.
Впервые получены значения допустимого времени аварийного простоя в течение суток при отказах в системах электроснабжения.
Разработан новый подход к определению ожидаемого ущерба из-за отказов в системах электроснабжения животноводческих и птицеводческих комплексов.
Впервые предложен метод, основанный на критерии удельных совокупных энергозатрат для оценке эффективности автономных источников электрической энергии на нетрадиционных энергоносителях.
Разработана модель асинхронного генератора с различным характером нагрузки и получены законы регулирования емкости конденсаторов цепи возбуждения.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты могут быть использованы:
при планировании рациональных энергосберегающих режимов электропотребления на животноводческих комплексах и птицефабриках;
для оценки эффективности мероприятий, направленных на повышение надежности СЭС сельскохозяйственных потребителей;
при выборе автономных энергетических установок на нетрадиционных энергоносителях для резервирования СЭС сельскохозяйственных производств;
для выбора рациональных режимов работы асинхронного генератора в автономных системах электроснабжения.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
- корректным использованием аппарата математической стати
стики и результатами компьютерных расчетов при проведении ис
следований;
- совпадением результатов, полученных на основе вычисли
тельных экспериментов с использованием современных математиче
ских методов и средств моделирования с экспериментальными ре
зультатами.
Реализация результатов работы.
На основании предложенных методик и рекомендаций разработаны газогенераторные электростанции, работающие на древесном топливе, и введены в эксплуатацию в качестве резервного источника электрической энергии на животноводческих комплекса в с. Кулакове и с. Пача Яшкинского района
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на XI Международной научно-техническая конференция студентов и
»
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2005 г.), IV Международной научной конференции аспирантов и студентов «Охрана окружающей среды и рациональное использование энергетических ресурсов» (Украина, г. Донецк, 2005 г.), IV Международная научно-практическая интернет-конференция «Энер-го- и ресурсосбережение - XXI век» (г. Орел, 2005 г.), на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2004 - 2005 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объемы диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, изложенных на 156 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 21 таблица, список литературы, включающий 132 наименования.
Показатели уровня электрификации сельского хозяйства
Современное состояние объектов сельского хозяйства, как бытовых, так и производственных немыслимо без электрической энергии. Электрификация представляется важным средством технического, экономического и социального переоснащения сельскохозяйственного производства, жилищно-коммунального хозяйства и социальной сферы села. В своем развитии сельская электроэнергетика прошла длительный путь.
Период с 1917 по 1928 г. отмечен первыми успехами в сельской электрификации. К началу 1917 г. в сельской местности работало всего 78 мелких электростанций общей мощностью около 2000 кВт, годовое потребление электроэнергии на селе составляло 1,2 млн. кВт ч. Тяговую силу и источники энергии, которыми располагало сельское хозяйство, составляли рабочий скот в пересчете на механическую силу - 17,4 млн. кВт, или 99,2%; мелкие механические двигатели и электроустановки - 0,15 млн. кВт, или 0,8 %.
Второй период (1929-1940 гг.) знаменуется началом электрификации непосредственно сельскохозяйственного производства на базе колхозов и совхозов. Значительный рост числа колхозно-кооперативных хозяйств, образование государственных сельскохозяйственных предприятий, а также систем машинно-тракторных станций заметно усилили роль электрификации в сельском хозяйстве. Так, общая мощность сельских электростанций достигла 265 МВт, а потребление электроэнергии - 538 млн. кВт ч, что в 15,4 раза превысило уровень 1928 г. и в 448 раз - 1913 г. Широко стала применяться электроэнергия для механизации производственных процессов в ремонтно-механических мастерских, на насосных станциях, на молотьбе и других работах.
Третий период (1945-1954 гг.) - восстановительный, обозначен укреплением электроэнергетической базы сельского хозяйства на основе строительства крупных межхозяйственных электростанций. За этот период увеличилось число электростанций в 4,3 раза, их мощность - в 6,7 раза, а объемы производимой электроэнергии возросли с 188 до 1841 млн. кВт ч. В 1954 г. 41% колхозов и 89% совхозов пользовались электрической энергией, в хозяйствах насчитывалось более 100 тыс. электродвигателей суммарной мощностью 1296,4 тыс. кВт. Резко увеличился объем потребляемой электроэнергии с 1755 до 2483 млн. кВт ч [14]. Началась электрификация колхозов и совхозов на основе централизованного электроснабжения от государственных энергосистем.
В четвертый период становления сельской электрификации (1955-1965 гг.) завершена электрификация колхозов и совхозов, ускоренными темпами электрифицируются производственные процессы, сельские потребители подключаются к государственным энергосистемам. Если от дизельных сельских электростанций стоимость электрической энергии достигала 5... 10 коп/(кВт ч), то себестоимость производства, передачи и распределения электроэнергии от энергосистем составляла 0,9...1,3 коп/(кВт ч), что стимулировало внедрение централизованного электроснабжения.
К 1965 г. было электрифицировано 95,0% колхозов и 99,0% совхозов, 68,4% которых получали электроэнергию от централизованных государственных энергосистем. Объем потребления электроэнергии сельским хозяйством увеличился с 3,0 до 10,5 млрд. кВт ч.
Пятый период (1965-1991 гг.) проходит в условиях ускорения темпов специализации и концентрации сельскохозяйственного производства. Наблюдается повышение темпов насыщения колхозов и совхозов техникой, в результате чего энергетические мощности возросли за период с 1965 по 1991 г. с 89,6 до 308,6 млн. кВт, резко увеличился объем потребляемой электроэнергии с 10,5 до 96,4 млрд. кВт ч [14]. В общем энергобалансе страны удельный вес потребления электроэнергии сельским хозяйством вырос с 4,2%) в 1965 г. до 9,5%) в 1991 г. Практически всю электроэнергию (99,7%) колхозы и совхозы получают в 1991 г. централизованно от государственных энергосистем.
Современный период развития электрификации сельского хозяйства обусловлен становлением рыночных отношений на предприятиях энергоснабжающих организаций и на предприятиях АПК. Более двух третей предприятий, производящих сельскохозяйственную продукцию, было преобразовано в предприятия новых форм хозяйствования. Региональные (районные) энергосистемы были преобразованы в акционерные общества. Электрические сети, возводившиеся сельскохозяйственными предприятиями, безвозмездно были переданы на баланс энергосистем.
Существенные изменения произошли и в ценообразовании тарифов на электроэнергию. Если до 1991 г. тарифы на электроэнергию устанавливались централизованно и были едиными для сельского хозяйства, льготный тариф составлял 1 коп за 1 кВт ч, то сегодня каждое акционерное общество устанавливает через региональные энергетические комиссии свои тарифы, значения которых постоянно увеличивается.
В настоящее время доля энергозатрат в себестоимости сельхозпродукции резко возросла с 3,8% в период 1991 г. до 20-30%, а по некоторым видам предприятий (теплицы, птицефабрики) - до 30-50% и более [14].
Исследование электропотребления на животноводческих комплексах и фермах
Электрические нагрузки сельскохозяйственных предприятий характеризуются несколькими особенностями, отличающими их как между собой, так и от предприятий других отраслей народного хозяйства, а именно: - разнообразие объектов электроснабжения (потребителей) по режимам работы; - четко выраженная сезонность уровня электрических нагрузок; - влияние климатических условий на характер процесса функционирования сельскохозяйственного предприятия (особенно в условиях Сибири); - отклонение фактических мощностей потребителей от принятых при проектировании и сооружении электросетевых устройств; - естественное старение электросетевых устройств и электрооборудования.
Все эти факторы свидетельствуют о необходимости систематического изучения закономерностей изменения нагрузок сельскохозяйственных потребителей с целью разработки рекомендаций, направленных на рационализацию и оптимизацию процесса электропотребления.
В ходе исследования были получены статистические данные по электропотреблению на животноводческих комплексах Кемеров ской области. Все предприятия в зависимости от значения среднегодового электропотребления были разделены на 3 группы. К первой группе отнесены предприятия с суммарным электропотреблением до 200 тыс. кВтхч, ко второй 200-600 тыс. кВтхч, к третьей более 600 тыс. кВтхч (табл. 2.1).
Для сравнения независимых выборок и проверки гипотезы о том, что все выборки принадлежат одной генеральной совокупности, воспользуемся критерием Краскела-Валлиса [96]. Гипотеза проверяется с помощью статистики: cJ2\Dt+Dl+Dl+Dl)_HKN + x) KN2(KN + l) где К - число независимых выборок, N - объем выборки, D - сумма рангов элементов выборки. Имеем число выборок К = 4 , объем выборки равен числу элементов в сравниваемых выборках, N = 12. Вычислим значение статистики по формуле (2.2): 1?.(?7QS24-?S1 S2 4 = .2.(279,5 ,25.,54 295,54 349,52)_3(412 + 1) = 4-122-(4-12 + l) Найденное значение меньше критического, равного 7,8 [67] следовательно, гипотеза принимается, т.е. все выборки принадлежат одной генеральной совокупности. Чтобы исключить ошибочные элементы из выборки, если таковые имеются, необходимо проверить выборку на однородность. Сомнительный элемент Х0 может быть либо самый большой, либо самый малый. Вопрос о его ошибочности решает статистика [19]: C = \X0-X\/S, (2.3) где Х0 - проверяемый элемент выборки; X - среднее значение выборки; S - среднее квадратичное отклонение, равное корню квадратному из дисперсии. Найдем среднее значение X и дисперсию S2 выборки по формулам [80]: X = fjXi/N = 0,5S; S2=H {Х, -Xj /{N -1) = 0,09. /-і Значение статистики определяют по формуле (2.3) для максимального и минимального значения: Стах=1-0,58/0,3 = 1,39; Cmin =0.06-0,58/0,3 = 1,75. Сомнительные элементы отбрасываются как ошибочные, если вычисленное значение статистики превосходит критическое равное 3,145 [67], определяемое в зависимости от объема выборки.
Поскольку вычисленная статистика для максимального и минимального элемента выборки больше критического значения, еле довательно, гипотеза о том, что выборка является однородной, принимается, т.е. все значения принадлежат генеральной совокупности.
Для полной характеристики исследуемой случайной величины необходимо проверить гипотезу о том, какое она имеет распределение, что позволит узнать, как часто могут появляться те или иные значения при одних и тех же условиях, т.е. определить вероятность их появления.
Этот метод позволяет приблизительно судить о законе распределения исследуемой случайной величины. Более точное представление о том, является ли распределение нормальным или равномерным, можно получить, используя параметрический метод.
Одним из параметрических методов проверки гипотезы о виде распределения является проверка по критерию согласия Пирсона. Основой критерия согласия Пирсона является распределение х2 (хи 47 квадрат). Проверка гипотезы о законе распределения при помощи х осуществляется по следующей схеме.
Определяем выборочное значение статистики критерия %в. Гипотеза согласуется с результатами наблюдений на уровне значимости а, если где Ха(к) " квантиль распределения % с к степенями свободы и уровнем значимости а; иначе гипотеза отклоняется.
Для нормального закона распределения с помощью программы STATISTICA по методу, изложенному в [8], вычислим выборочное значение критерия %в= 4,510. Квантиль распределения х со степенью свободы к = 4 (рассчитанным в программе STATISTICA) и уровнем значимости а = 0,05 равен 9,488 [67]. Имеем, что 4,510 2 9,488 т.е. Хв Z0.05(4)» следовательно, гипотеза о нормальном законе распределения принимается с вычисленным уровнем значимости р = 0,34.
Вычисленный уровень значимости для обоих законом распределения больше заданного а = 0,05, следовательно, статистические данные не противоречат гипотезе о нормальном и равномерном распределениях, однако наибольший вычисленный уровень значимости р = 0,34 при нормальном законе, значит ее и надо принять за основную. Нормальный закон распределения характеризуется двумя параметрами математическим ожиданием =0,581 и средним квадратичным отклонением а = 0,3. Таким образом, вероятность попадания случайной величины в интервал 0,581±0,3 составляет 0,683.
Это говорит о том, что полученную по статистическим данным вероятностную модель зависимости электропотребления от времени года можно использовать для планирования режимов электропотребления на животноводческих предприятиях.
Однако воспользоваться приведенным уравнением (2.4) для планирования электропотребления на любой период в будущем встречает ряд трудностей. Основная из них состоит в том, что даже в течение одного месяца электропотребление не остается постоянным, а является функцией двух переменных: времени и количества поголовья на животноводческом комплексе, т.е. Э= f(t, N).
Показатели надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей
Для характеристики надежности систем электроснабжения достаточно знать характеристики двух случайных величин - наработки Т0 и времени восстановления Тв.
Однако для систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей удобно оперировать не временем восстановления, а средним временем аварийного простоя элементов энергосистемы ta , которое учитывает не только компоненты, входящие в Т0, но и потери времени на ожидания обслуживания отказавшего элемента и организацию работы после восстановления электроснабжения.
Для каждого технологического процесса, используемого на сельскохозяйственных предприятиях, и для предприятия в целом, существует допустимое (критическое) время аварийного простоя Тд. Тогда время аварийного простоя потребителя при отказе в системе электроснабжения можно определить так [103]
Для получения показателей надежности систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей воспользуемся методом, предложенным в [101, 106]. Рассмотрим функционирование одиночного нерезервированного элемента, который может находиться в одном из трех состояний: EQ - элемент работоспособен (работоспособное состояние), Ei - элемент не работоспособен, но не вызывает аварийного простоя потребителя (состояние отказа); Ег — элемент не работоспособен, состояние отказа вызывает аварийный простоя потребителя (состояние аварийного отказа) (рис. 3.1 (а)). Под воздействием потока отказов с интенсивностью X элемент переходит из состояния Ео в состояние Е] из которого через определенное время с интенсивностью ці в состояние Е2, а под воздействием потока восстановлений с интенсивностью Ці возвращается из состояния аварийного отказа в работоспособное состояние. Граф переходов из одного состояния в другое с обозначением вероятностей переходов за время dt показан на рис. 3.1 (б).
Чтобы рассчитать удельные показатели надежности, в частности, вероятность аварийного простоя систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, необходимо располагать статистическими данными о повреждаемости сельских энергетических систем. Получение таких статистик, связано с рядом трудностей, основная из которых состоит в том, что большая часть отказов в системах электроснабжения не находит отражения в оперативной информации из-за разбросанности сельскохозяйственных электросетей, кроме того, некоторые потребители и электроснабжающие организации информацию о повреждениях относят к коммерческой, разглашение которой, по их мнению, не допускается. Имеет значение и то, что до последнего времени нет единой системы сбора информации об отказах вероятностях простоя. По этим причинам для получения данных о показателях надежности систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей были использованы имеющиеся публикации по результатам ранее выполненных исследований.
Статистическая оценка числа отказов за 18 лет наблюдений (табл. 3.1), сделанная в программе STATISTICA, показала, что при уровне значимости а = 0,98 поток отказов находится в пределах от 0,083 до 0,231 отказов в год на 1 км ВЛ 10 кВ, т.е. ю = 0,354±0,104 1/(год-км).
К силовым электроустановкам сельских сетей относятся ячейки распределительных устройств, трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ, силовые трансформаторы. Эти установки выходят из строя по следующим причинам: повреждение вводов от внешних и внутренних перенапряжений; поверхностный пробой изоляторов в результате воздействия пыли и влаги из-за дефектов уплотнений КРУН, КТП; поверхностный пробой шин и вводов при попадании птиц и мелких животных; повреждение изоляции обмоток трансформаторов при перенапряжениях и перегрузках из-за дефектов конструкций и изготовления и пр.
Коммутационная аппаратура, как и другие электроустановки, отказывают в процессе функционирования, например, при поверхностном пробое вводов выключателей.
Используя метод, изложенный выше, по литературным источникам [36, 59, 95, 128] были определены средние значения показателей надежности элементов систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Исследование хода ветра на территории Кемеровской области
Для использования ветра в качестве энергоносителя, необходимо наличие природных условий, к которым относятся его скорость и направление. Для того, чтобы ответить на вопрос может ли ветер на территории Кемеровской области рассматриваться в качестве альтернативного источника электроэнергии, были проведены статистические исследования хода ветра по единой методике на основе сведений метеостанций в аэропортах городов Кемерово, Новокузнецка и Таштагола. Всего было получено и обработано 26280 наблюдений скорости и направления ветра. Таким образом, приводимые ниже выводы основаны на средних значениях хода ветра для нашей области за три года для в северного района и южного.
В Новокузнецке (рис. 4.3) сильный ветер бывает еще реже -только в течение 9,9% времени года или 867 ч. Наибольшую часть времени (20,7 %) преобладает ветер со скоростью 2 м/с. Безветрие (штиль) наблюдается в 12,1% или 3060 ч. Суточная продолжительность штиля - около 7,5 ч.
Обработка полученных статистических данных наблюдений за скоростью ветра для городов Кемерово и Новокузнецк показывает, что здесь имеет место нормальный закон распределения. Проверка гипотезы произведена по критерию согласия Пирсона.
Для плотности распределения скорости ветра значение je, вычисленное в программе STATISTICA, равно 5,75 и 8,06 для г. Кемерово и г. Новокузнецка соответственно. Имеем, что xl XOAS№) гДе j005(10) - квантиль распределения х со степенью свободы к = 10 (рассчитанным в программе STATISTICA) и уровнем значимости а = 0,05 равен 16,92. Следовательно, гипотеза о нормальном законе распределения принимается.
Известно, что для вращения пропеллерного ветряка с электрическим генератором мощностью более 3,5 кВт необходимо, чтобы скорость ветра была 5 м/с и более [69]. Просуммировав относительные значения скорости ветра 5... 13 м/с по гистограмме рис. 4.2, получим для г. Кемерово (0,126 +0,091+ 0,055 + 0,055 + 0,028 + 0,007 + 0,002 + 0,003 + 0,001) = 0,368, умножив эту цифру на число часов в году - 8760, получим среднее число часов за год 0,368x8760=3224, в течение которых ветряк будет производить электроэнергию. Для г. Новокузнецка (рис. 4.3) эта продолжительность еще меньше: (0,077 + 0,062 + 0,036 + 0,026 + 0,014 + 0,011 + 0,003 + 0,002 + 0,007) = 0,238 х 8760 = 2085 ч. Это означает, что в г. Кемерово в среднем только в течение 36,8 % времени года пропеллерный ветряк будет производить электроэнергию, а в г. Новокузнецке - в течение 23,8 % времени года. Очевидно, что в этих погодно - климатических условиях ветер не может обеспечить надежное электроснабжение при применении пропеллерных ветродвигателей. Однако это совсем не значит, что ветер на территории Кемеровской области не может рассматриваться в качестве альтернативного источника электроэнергии.
Многое может зависеть от конструкции рабочего колеса ветроэлек-тростанции (ВЭС) и его КПД. Известны следующие альтернативы пропеллерным ветрякам турбина Тайсона (Tyson) с КПД 16%, турбина Гармана (Garman) с КПД 15-18%, турбина Дарриуса (Darrieus) с КПД 23,5%, геликоидальная турбины Горлова (Gorlov Helical) с КПД 35%.
ВЫВОД. Ветер является маломощным энергоносителем на равнинной части Кемеровской области. Его можно использовать в качестве энергоносителя при мощности генератора не более 1,0 -1,2 кВт при большой площади омовения, то есть площади, описываемой вращающимся рабочим органом ветроустановки. Она может дать эффект только при использовании ее с каким-либо дополнительным источником энергии, например, гидротурбина микроГЭС, дизельная электростанция или батарея аккумуляторов, которая может систематически подзаряжаться от ветрогенератора.
Для того, чтобы принять решение о необходимости установки резервного источника электроснабжения, а также сравнить различные технические варианты, необходима качественная и действенная методика оценки эффективности. В настоящее время практически все задачи в технике, в том числе и в энергетике, решаются с применением экономических критериев, таких как [56, 72]: - приведенные затраты (официально рекомендуемый критерий [72]); - общая прибыль производства (разность между ценой и себестоимостью реализованной товарной продукции); - уровень рентабельности (отношение прибыли к себестоимости, реализованной продукции).
Использование экономических критериев для оценки эффективности альтернативных источников электрической энергии не позволит получить значимых результатов, потому что значение приведенных затрат дает относительную верную оценку тогда, когда цена принимается равной затратам. Определить экономические затраты, связанные с эксплуатацией альтернативных источников электрической энергии, подчас невозможно из-за того, что они малы или их вообще нет. Это связано с тем, что альтернативные источники электрической энергии не имеют промышленных аналогов и изготавливаются по индивидуальным проектам, при этом стоимость материалов на их изготовление незначительна. Кроме этого, все работы по изготовлению установки могут быть выполнены за счет внутреннего резерва предприятия, на котором планируется ее использование, следовательно, людские и технические затраты неизмеримы. Что касается эксплуатационных затрат, то они определяются стоимостью источника энергии и заработной платой дополнительно привлеченного обслуживающего персонала. В качестве источника -энергии используется альтернативное топливо, которое не имеет денежного эквивалента. Поэтому остается только заработная плата, а оценивать эффективность альтернативных источников электрической энергии по затратам, связанным с заработной платой обслуживающего персонала, которая может колебаться в широких пределах, нельзя.
