Технические науки/ 5

Технические науки/ 5.Энергетика

Д.т.н., профессор Воронин С.М., аспиранты Закиров И.В., Закиров Ф.В.

Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде, Россия

Определение параметров автономной ветроэлектростанции малой мощности с комбинированным аккумуляторным резервом

В связи с многоукладностью аграрного сектора России в стране появились и численно увеличиваются небольшие сельскохозяйственные объекты, значительно удаленные от централизованных систем электроснабжения. Их потребность в электроэнергии покрывается за счет использования небольших топливных электростанций или электростанций на возобновляемых источниках энергии, таких как ветровая и солнечная энергии.

При достаточном количестве ветровых ресурсов на территории расположения сельскохозяйственного объекта, применение ветроэлектростанций для выработки электроэнергии на фоне недостатков других систем является наиболее перспективным и экономически целесообразным. Однако, непостоянство скорости ветра и ее случайный характер, заставляют включать в состав ветроэлектростанции аккумуляторный резерв, для обеспечения высокого уровня надежности системы. Такой резерв обычно представляет собой батарею электрохимических аккумуляторов необходимой емкости, причем в некоторых случаях их емкость приближается к экономически критическому значению. Поэтому актуальны задачи изыскания замены электрохимических аккумуляторов в автономных ветроэлектростанциях.

Уменьшить емкость электрохимических аккумуляторов можно за счет использования других способов накопления энергии, в частности применения скважинного гидроаккумулятора [1].Такая система автономного электроснабжения (рисунок 1), кроме того, позволяет сохранить достаточно высокий уровень надежности электроснабжения.

Для достижения высокой эффективности и минимизации затрат на сооружение такой системы автономного электроснабжения сельскохозяйственного потребителя, необходимо оптимизировать ее параметры. Критерием оптимальности в этом случае будет являться удельная стоимость сооружения ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом, а оптимизируемым параметром – рабочая скорость ветра, на которую рассчитана ветроустановка [2].

Рисунок 1 – Структурнаясхема автономной системы электроснабжения на основе ветроэнергетической установки

Ранее такая задача решалась и была получена целевая функция [2], которая позволяет определить оптимальную рабочую скорость ветроустановки.

(1)

где N_P – мощность электропотребителей, Вт;

k_В – удельная стоимость ВУ, руб/м²;

t_Э , t_A – время работы ветроэнергетической установки и

аккумулятора соответственно, ч;

η_А – КПД аккумулятора, о.е.;

η_ВЭС – КПД ветроэнергетической установки, о.е.;

v_р – рабочая скорость ветра, м/с;

k_А – удельная стоимость аккумулятора, руб/А.ч;

U_Н – номинальное для потребителя напряжение, В,

ρ_в – плотность воздуха при ветре, кг/м³.

Время работы ветроэнергетической установки и аккумулятора t_Эи t_A соответствуют продолжительности непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов ветра в регионе установки ветроагрегата. Функции, описывающие математическое ожидание таких периодов можно получить, обработав статистические данные о скорости ветра в регионе по определенной методике [3]. Например, для Ростовской области:

- для аккумуляторного периода

t_A = – 47,717 – 0,0444v⁴ + 1,4513v³– 12,213v² + 47,459v (2)

- для энергетического периода

t_Э = 65,454 – 0,0004v⁵ + 0,0232v⁴–0,5197v³ + 5,5091v²–28,088v(3)

Однако, применение функции (1) для оптимизации автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом, реализуемой в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 1, для предлагаемой автономной системы будет некорректно, так как аккумуляторный резерв в такой системе включает в себя два вида аккумуляторов энергии. Таким образом, возникает необходимость преобразования данной целевой функции. Помимо стоимости ветроустановки и стоимости аккумуляторных батарей, она должна содержать еще и стоимость гидроаккумулятора.

Так как большинство автономных сельскохозяйственных объектов имеет в своем распоряжении уже эксплуатируемую скважину, то рассмотрим целевую функцию, когда стоимость гидроаккумулятора пропорциональна стоимости обсадных труб, то есть глубине гидроаккумулятора и стоимости гидроагрегата. Целевая функция в таком случае примет следующий вид:

(4)

где k_Н – удельная стоимость труб, руб/м;

k_ГА – удельная стоимость гидроагрегата, руб/Вт;

η_Г – КПД гидроаккумулятора, о.е.;

m – масса запасаемой воды, кг;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Х – время работы гидроаккумулятора на нагрузку, ч.

Разделив (4) на мощность потребителей, получим в качестве критерия оптимальности удельные затраты (руб/Вт), что повысит применимость целевой функции.

Коэффициенты удельной стоимости элементов автономной системы электроснабжения определяются на основе анализа прайс-листов на соответствующий элемент. Методика определения коэффициентов k_В и k_А показана в [4]. k_Н равняется цене обсадных труб за метр, с учетом монтажа, а k_ГА– стоимости гидроагрегата на ватт мощности, также с учетом цены на монтаж. Причем, удельная стоимость гидроагрегата должна определяться для различных диапазонов мощности потребителей отдельно.

Как видно из выражения (4), слагаемое k_ГА не зависит от рабочей скорости ветра в отличие от других слагаемых, а, следовательно, может не учитываться при определении оптимальной рабочей скорости ветра, на которую должна быть рассчитана ветроустановка. Коэффициент k_ГА должен учитываться только при определении реальной стоимости сооружения ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом. Таким образом исключая k_ГА из выражения (4) получаем целевую функцию:

(5)

Задавая исходные данные и подставляя выражения для t_Э и t_A, можно определить рабочую скорость ветроустановки, при которой стоимость автономной системы электроснабжения будет минимальной.

Например, задавшись следующими исходными данными N_P = 1000Вт, k_В = 4651руб/м², η_А = 0,85, η_ВЭС = 0,4, k_А =124,4руб/А.ч, U_Н = 220В, Х = 0,2t_A,k_Н = 160 руб/м, m = 5000 кг, η_Г = 0,7 и используя выражения (2) и (3), получаем график зависимости стоимости автономной системы электроснабжения от рабочей скорости ветра (рисунок 2).

Как видно из рисунка 2, график целевой функции в данном случае имеет ярко выраженный минимум при рабочей скорости ветра 6 м/с, следовательно, на такую скорость должна быть рассчитана ветроустановка.