3.2. Комбинированные электрические системы

Использовать круглогодично одиночные автономные системы на базе ВИЭ обычно не выгодно в экономическом отношении в районах с большими перепадами скоростей ветра и прихода СР, т.к их приходится рассчитывать на наихудшие условия относительно энергетического источника, что приводит, в свою очередь, к значительному удорожанию системы энергоснабжения в целом[2,46], кроме того, одиночные системы на основе энергии солнце и ветра большую часть расчетного года не используются на полную мощность.

В то же время, применение комбинированной электрической системы на основе ФЭУ и ВЭУ может оказаться во многих случаях целесообразным, вследствие того, что пик прихода СР, как правило,приходиться на минимум скорости ветра и наоборот [21], откуда вытекает возможность использовать установки в составе комбинированной системы значительно меньших возможностей и, следовательно, меньших возможностей, в сравнении с одиночными системами.Помимо этого, из-за использования двух различных источников энергии (солнце и ветер), надежность выработки электроэнергии системой в целом значительно повышается, одновременно возникает возможность использовать АБ меньшей относительно одиночных систем емкости, что, в свою очередь, положительно сказывается на общих затратах на производство энергии в автономных условиях и, следовательно, оказывает влияние на выбор потребителем способа электроснабжения своего жилища.

Однако при установлении основных параметров комбинированной системы электроснабжения возникает сложность в определении мощностей ФЭУ и ВЭУ, входящих в общую энергетическую установку.

Для маломощных автономных потребителей целесообразно использовать в качестве «основного» энергоисточника – ВЭУ, а ФЭУ – в качестве дополнительного, т.к. ФЭУ – модульная конструкция, позволяющая добавлять фотоэлектрические модули (ФМ) при необходимости.

Комбинированная ветро - фотоэлектрическая установка целью получения оптимального соотношения энергетических компонентов в составе общей системы, согласно разработанному методу, рассчитывается следующим образом:

1. определяется величина суточного потребления электроэнергии автономным объектом, необходимая для последующего расчета основных расчетных характеристик компонентов комбинированной системы;

2. выбирается модель ветроагрегата в расчете на максимальную среднемесячную скорость ветра в пределах расчетного периода года, исходя из необходимости удовлетворения требуемого уровня обеспеченности электроснабжения потребителя;

3. определяется среднесуточная выработка ВЭУ в месяц с минимальной в пределах расчетного периода года среднемесячной скоростью ветра;

4. устанавливается разница в величинах суточного потребления энергии нагрузкой автономного дома для периода года с наименьшей среднемесячной скоростью ветра и производимой энергией ветроагрегатом в это время. По полученному значению рассчитывается требуемая мощность ФЭУ.

5. производится корректировочные расчеты требуемой мощности ВЭУ с учетом возможной выработки энергии ФЭУ в месяц с максимальной среднемесячной скоростью ветра;

Необходимо заметить, что не отвергается и обратная схема расчета комбинированной электрической установки, а именно: ФЭУ – базовая, ВЭУ – дополнительная.

В соответствии с предложенной схемой определение мощности ФЭУ и площади ометаемой поверхности ВЭУ основывается на решении системы уравнений[50], а именно:

,

где

часть суточного потребления энергии дома, которую обеспечивает ВЭУ при максимальной в пределах расчетного периода года среднемесячной скорости ветра;

часть суточного потребления энергии дома, которую обеспечивает ФЭУ при некотором среднесуточном приходе СР в месяц с максимальной в пределах расчетного периода года среднемесячной скорости ветра;

часть суточного потребления энергии дома, которую обеспечивает ВЭУ при минимальной в пределах расчетного периода года среднемесячной скорости ветра;

часть суточного потребления энергии дома, которую обеспечивает ФЭУ при некотором среднесуточном приходе СР в месяц с минимальной в пределах расчетного периода года среднемесячной скорости ветра;

В соответствии с формулой () получим следующие зависимости:

,

где и - фактические максимальная и минимальная величины выработки ВЭУ в течение расчетного периода, аи – соответствующие им значения средней мощности ВЭУ при максимальной и минимальной расчетных среднемесячных скоростях ветра.

Или, по аналогии с получением выражения (), получим:

В соответствии же с выражением () величины выработки энергии ФЭУ при некоторых значениях среднемесячного прихода СР в месяцы с максимальной или минимальной скоростями ветра могут быть определены по формулам:

Итак, решая систему уравнений () и (), учитывая выражения () и (), получим следующую зависимость площади ометаемой поверхности ВЭУ от мощности ФЭУ для любого конкретного места с определёнными характеристиками ветра и прихода СР:

Откуда, обозначая через (Вт/м²) – относительно коэффициент комбинированной системы – выражение, включающие параметры, имеющие для каждого конкретного места в пределах выбранного эксплуатационного периода года вполне определённые значения, получим:

,

,

где

Из равенства () или () учитывая выражение (), получим формулу для определения минимальной требуемой площади ометаемой поверхности ВУЭ в комбинированной электрической установке для автономного дома:

,

Как и в предыдущем разделе 2.1, по значению ометаемой поверхности ветроагрегата определяется сначала мощность, которую должна выдавать ВУЭ при характерной скорости ветра и затем по кривым мощностей соответствующая модель ветроагрегата.

Аналогично, в соответствии с выражением() получим формулу для определения минимальной требуемой мощности ФЭУ в комбинированной электрической установке для автономного дома:

,

Полученные выражения() будут использоваться далее при определении экономической эффективности применения систем на основе ВИЭ для электроснабжения автономных сельских потребителей.

В некоторых случаях для электроснабжения автономных потребителей может оказаться выгодным использовать гибридные системы на базе ЖТЭ и ФЭУ или ВЭУ. Этот тип системы предполагается использовать, если отсутствует целесообразность применения систем на основе ВИЭ. В зависимости от принципиального подхода к конструированию подобных гибридов можно определить два основных направления, а именно:

1). ФЭУ или ВЭУ является дополнительным источниками энергии к основной установке – ЖТЭ и служат, в основном, для сокращения текущих расходов на производство энергии от ЖТЭ;

2). ЖТЭ является резервным источником энергии и предназначена для увеличения надежности электроснабжения потребителя в условиях отсутствия СР или ветра и для уменьшения размера блока АБ.

Расчет подобных систем приводится следующим образом :

определяется мощность ФЭУ или ВЭУ в расчете на наилучшие условия ветра или СР, соответственно. Мощность ЖТЭ определяется число часов, требуемых для заряда АБ, емкость который рассчитывается на один-два дня обеспечения автономности электроснабжения в отсутствие энергоисточника. Количество часов работы ЖТЭ в течение года определяется число часов без солнца или безветрия (при расчетной скорости) в течение года.

Методика выбора системы электроснабжения автономного потребителя

Способы электрификации автономных сельских потребителей, рассматриваемые в предлагаемой работе, можно условно разделить на две основные группы – традиционные и системы на основе ВИЭ. Поскольку каждый из вариантов обладает как преимуществами, так и неизбежными недостатками, нельзя с уверенностью сказать, что та или иная система электроснабжения более предпочтительна, нежели другая, для обеспечения потребностей в энергии сельских жителей в автономных условиях. Например, электрификация автономного жилища при помощи ЖТЭ характеризуется небольшими начальными капиталовложениями, но весьма ощутимыми ежегодными топливными расходами и затратами на поддержания работоспособности установки. В то же время, для систем на основе ВИЭ характерны высокие начальные стоимости оборудования, но незначительные текущие расходы. В связи с этим выбор наиболее эффективной как в техническом, так и в экономическом отношениях системы электроснабжения автономного жилища в каждом конкретном случае должен быть всесторонним и базироваться на сравнительном технико- экономическом анализе всех выгод и недостатков различных вариантов, доступных в любом конкретном месте, который содержит следующие пункты: [76,77,82,84]

Технический анализ

• анализ и изучение ресурсов различных источников энергии – традиционных и возобновляемых, доступных в рассматриваемом месте;

• разработка концепции энергоэффективного жилища, преследующая цель сокращения неизбежных потерь энергии;

• анализ потребностей жителей автономного дома и определение способов энергоснабжения всех основных процессов;

• разработка и оптимизация соответствующих систем электроснабжения;

• анализ технической выполнимости проекта;

Экономический анализ

• вычисление стоимостных характеристик рассматриваемых способов энергоснабжения;

• размер начальных капиталовложений;

• расходы на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание;

• топливные затраты;

• суммарные расходы на производство энергии по всему экономическому сроку службы системы;

• ежегодные расходы на производство электроэнергии;

• стоимость производства электроэнергии;

• сравнение рассматриваемых способов электроснабжения и определение граничных условий экономической целесообразности использования той или иной системы в сравнении с другими:

Финансирование:

• определение возможностей финансирования (наличие собственных средств, возможность получения кредита, ссуды или льготного займа);

• влияние различных вариантов финансирования на стоимостные характеристики и , как следствие, на выбор способа энергоснабжения автономного потребителя;

Социально – экологический анализ:

• анализ влияния систем энергоснабжения на экологию среды обитания сельских жителей;

• анализ воздействия, оказываемого на развитие производства сельскохозяйственной продукции; (см. рис.) [45,48,53]

Определение ресурсов различных источников энергии

Определение оптимальной схемы энергоснабжения изолированного потребителя

Определение потребляемой мощности и параметров электроснабжения изолированного потребителя

Анализ вариантов способов электроснабжения

Возобновляемые источники энергии

Традиционные источники энергии

Установка на биомассе

Ветро-элек- трические установки

Фото-элек-трические ус-тановки

Жидко-топ-ливные гене-раторы

Централизо-ванная энерго-система

Комбинированное использование

Динамика изменения стоимостей рассматриваемых энергоносителей

Определение расходов на производство электроэнергии для каждой системы

Сравнительный анализ и определение условий целесообразности использования всех рассматриваемых способов электроснабжения

Выбор наиболее эффективного с экономической точки зрения способа элек-троснабжения изолирование потребителя, с учетом различных способов финансирования

Детальная проработка проекта электроснабжения

Рисунок .Методика выбора и расчета системы электроснабжения изолированного потребителя