Анализ эффективности применения ветро-солнечной установки в условиях Белгородской области

Введение. Возрастающий интерес к состоянию и перспективам развития энергетики и энергетическим ресурсам связан с глобальными процессами, такими как повышение температуры и запасами углеоводородного топлива. Сегодня запасы ископаемого топлива ограничены и его использование ведет к загрязнению окружающей среды: так, эмиссия диоксида углерода приводит к глобальному потеплению, а диоксид серы является причиной кислотных дождей. К настоящему времени в мире установлено более 20000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют экономически эффективно с высокой степенью надежности преобразовывать энергию ветра в электрическую [1].

Сегодня ВЭУ - это надежные машины, которые весьма эффективно преобразуют энергию ветра в электрическую [4]. Поэтому главный вопрос, который задает себе потребитель, звучит так: «Могу ли я использовать ВЭУ в том месте, где живу». Ответ на него зависит от ряда факторов, которые рассмотрены ниже. Однако первый вопрос, на который должен быть получен ответ, такой: «Достаточно ли высоки скорости ветра для применения ВЭУ в выбранном месте?».

Следуя распространенным рекомендациям и руководствам по применению ветроустановок малой и средней мощности, среднегодовая скорость ветра не должна быть менее 4 м/с [3, 10].

Энергетический потенциал солнечного излучения распределен по территории более равно мерно. Возможность фотоэлектрического преобразования не только прямого 150                 Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 4 (37)

солнечного излучения, но и рассеянного позволяет использовать фотоэлектростанции практически повсеместно [2].

Распространенной    рекомендацией    о целесообразности применения фотоэлектростанций является уровень удельной годовой инсоляции более 1000 кВт·ч на квадратный метр горизонтальной поверхности.

Цель работы. Анализ эффективности применения ветро-солнечной установки в условиях Белгородской области с помощью установленной системы мониторинга.

Материалы и методы исследования.

Выбранная ветроэнергетическая установка состоит из следующих основных элементов:

Ветроагрегата, предназначенного для преобразования энергии ветрового потока в переменный электрический ток. Состоит из ветроколеса, 3-х фазного генератора переменного тока, установленного при помощи силового каркаса на поворотном механизме с узлами токосъема и хвостового оперения, который ориентирует ветроагрегат по ветеру. Генератор расположен в корпусе, состоящем из трех частей, двух симметричных половин и кольцевого обтекателя. Детали корпуса выполнены из композиционного материала со специальным покрытием [5, 6].

Ветроколесо расположено на валу генератора, имеет регулятор, двух лопастной винт и обтекатель винта.

Вышки, имеющей высоту 12 метров, состоящей из пяти основных секций и подъемного узла с центральной фундаментной накладкой. Верхняя секция имеет фланец, к которому крепится ветроагрегат в сборе. В вертикальном положении вышку удерживают два яруса тросовых растяжек, натяжение которых производится талрепами. Вышка и растяжки устанавливаются на бетонные фундаментные узлы, через накладки фундаментные.

Для обеспечения подъема и опускания вышки, она укомплектована специальными приспособлениями, которые могут быть демонтированы на время эксплуатации. Подъем и опускание вышки производится лебедкой с приспособлением для крепления к фундаментному тросовому узлу или специальным грузоподъемным механизмом.

Блока электропитания (БЭ) с выпрямительно-коммутационной коробкой (ВКК), предназначенного для обеспечения работы ветроагрегата. В блоке происходит преобразование переменного напряжения генератора в постоянное стабилизированное напряжение. При работе БЭ в «Основном режиме» это напряжение направляется на заряд аккумуляторной батареи (АБ) и далее на питание инвертора или других потребителей. При работе БЭ в «Дополнительном режиме» (без использования АБ) - на нагрев теплоэлектронагревателей (ТЭН).

Функции БЭ:

• -    обеспечивает работу ВЭУ в рабочем диапазоне скоростей ветра и/или работу СБ в соответствии с уровнем солнечной радиации;

• -    полностью разгружает генератор ВЭУ для обеспечения режима страгивания ветроколеса и его выхода на рабочие обороты;

• -    обеспечивает передачу вырабатываемой ВЭУ и/или СБ электроэнергии в аккумуляторную батарею;

• -    защищает АБ от перенапряжения при её полной заряженности;

• -    защищает АБ от глубокого разряда путем автоматического отключения потребителя;

• -    обеспечивает максимальную передачу мощности в тепловую нагрузку в широком диапазоне вырабатываемой ВЭУ и/или СБ электроэнергии;

• -    обеспечивает работу инвертора мощностью до 2000 Вт от применяемой аккумуляторной батареи;

• -    обеспечивает световую индикацию режимов работы установки.

БЭ выполнен в виде прямоугольного пластикового корпуса закрытого типа. В основании корпуса расположена печатная плата с микросхемами.

На верхней и боковых плоскостях корпуса БЭ, с внешней стороны, размещены изолированные теплоотводящие радиаторы. Внутри, в нижней части корпуса, установлена клеммная колодка. На лицевой стороне корпуса расположен переключатель режимов работы блока, светодиодные индикаторы, автоматические предохранители и кнопка «Аварийное питание».

ВКК имеет металлический корпус и крепится к вышке на высоте 1 ÷ 1,5 м от уровня земли. Рукоятка переключателя выведена на боковую стенку ВКК, положением переключателя определяется режим работы ВЭУ. ВКК соединяется силовыми кабелями с ветроагрегатом и БЭ через герметичные кабельные вводы.

БЭ выполнен в виде прямоугольного пластикового корпуса закрытого типа. В основании корпуса расположена печатная плата с микросхемами.

На верхней и боковых плоскостях корпуса БЭ, с внешней стороны, размещены изолированные теплоотводящие радиаторы. Внутри, в нижней части корпуса, установлена клеммная колодка. На лицевой стороне корпуса расположен переключатель режимов работы блока, светодиодные индикаторы, автоматические предохранители и кнопка «Аварийное питание».

ВКК имеет металлический корпус и крепится к вышке на высоте 1 - 1.5 м от уровня земли. Рукоятка переключателя выведена на боковую стенку ВКК, положением переключателя определяется режим работы ВЭУ. ВКК соединяется силовыми кабелями с ветроагрегатом и БЭ через герметичные кабельные вводы.

Данная ветроэлектрическая установка, работает автономно, независимо от сети централизованного энергоснабжения. Поэтому ВЭУ может функционировать самостоятельно, если суммарная мощность потребителя соответствует ее номинальной мощности, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий. В нашем случае ветроэнергетическая установка обслуживает систему ночного освещения одного из учебных корпусов.

Комбинированная система электроснабжения подразумевает использование ВЭУ совместно с другими источниками энергии (дизель-генератор, солнечные модули и т.п.). Эти источники энергии дополняют ВЭУ с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителя в безветренную погоду. В нашем случае электрическая энергия может быть получена за счет преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими батареями (ФБ). Несмотря на довольно высокую, в настоящее время, стоимость ФБ, их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя 152

• [8]. Выберем два модуля TSM-110. Далее на рисунке 1 представим подключение внешних устройств, применяемых на базе ветро-солнечной электростанции.

  

1 – ветроагрегат; 2 – СБ; 3 – АБ; 4 – БЭ; 5 – ВКК; 6 – соединительный кабель №1; 7 – соединительный кабель №2; 8 – соединительный кабель №3; 9 - коммутационные кабели; 10 – подставка для АБ; 11 – вышка разборная; 12 – накладка фундаментная для растяжек; 13 – накладка фундаментная центральная; 14 – комплект растяжек нижнего яруса; 15 – комплект растяжек верхнего яруса; 16 – талрепы; 17 – фундаментные узлы; 18 – подъёмный узел; 19 – инвертор; 20 – ТЭН; 21 – штанга; 22 – ролик; 23 – АВР; 24 – сеть.

Рисунок 1 – Подключение внешних устройств к ВЭУ 2000

Для анализа эффективности применения ветро-солнечной установки в условиях Белгородской области возможно применение системы мониторинга, которая в режиме реального времени позволит производить отслеживание параметров установки.

Результаты и их обсуждение.

В ходе анализа использования ветро-солнечной установки применялось последовательно две разные системы мониторинга, имеющие разный уровень как программной, так и технической реализации. Вторая система мониторинга импортного производства Sky Control.

Изначально рассмотрим данные полученные при помощи более простой и дешёвой системой мониторинга выполненной под индивидуальный заказ у профильного предприятия, соответственно данная система мониторинга не имеет какого либо коммерческого названия. Данные полученные в ходе работы системы мониторинга собираются в отдельный файл формата txt. Далее полученные данные можно применить для построения необходимых зависимостей [9].

ВЭУ 2000 автономная, надежная установка не требует дежурного персонала в процессе эксплуатации и может работать практически в любых погодных условиях. Годовая выработка электроэнергии ВЭУ 2000 в зависимости от среднегодовой скорости ветра (данные производителя) представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Годовая выработка электроэнергии в зависимости от скорости ветра

Среднегодовая скорость ветра, м/с	4	5	6	7
Годовая выработка электроэнергии, кВт ∙ ч	2030,9	3137,4	4430	5464

Ниже приведены изображения, построенные при помощи системы мониторинга (см. рисунок 2). Данная система установлена в подсобном помещении ветро-солнечной установки. При необходимости данные можно получать на любом компьютере имеющем доступ к локальной сети.

Рисунок 2 – График зависимости выработки электроэнергии от скорости ветра в течение суток

Для изображения зависимости выработки электроэнергии от скорости ветра в течение месяца были взяты данные за ноябрь 2021 года, так как средняя скорость ветра в ноябре составила 3,91 м/с, что приблизительно соответствует среднегодовой скорости ветра в Белгородской области (см. рисунок 3). Данные по остальным месяцам менее показательны.

дней

Рисунок 3 - График зависимости выработки электроэнергии от скорости ветра в течение ноября 2021 года

Если учитывать что среднегодовая скорость ветра в рассматриваемом регионе составляет от 3-5 м/с, то примерная годовая выработка должна составить примерно 2891 кВт∙ч. Но данная выработка возможна только в идеальных условиях. Реальная выработка ветрогенератора ВЭУ 2000 в зависимости от скорости ветра показана на рисунке 3.

Рисунок 4 - График зависимости выработки электроэнергии от скорости ветра

То есть годовая выработка ветрогенератора без учёта солнечных батарей составляет примерно 1322 кВтч [7].

Мастер модуль системы мониторинга импортного производства Sky Control, предназначен для сбора, обработки и отображения информации, поступающей со встроенных узлов и портов для датчиков, с модулей расширения или с реле, а также управления информацией, исходящей с мастер модуля на релейные устройства, на почтовый SMTP сервер, серверы SNMP или HTTP через выходы LAN или GSM/GPRS.

Устройство содержит встроенный HTTP-сервер, позволяющий оператору просмотреть состояния всех элементов системы (датчиков, реле, считывателей), события, возникающие в системе, а также установленные между ними взаимосвязи (логика работы системы) с помощью любого Интернет-браузера.

Программное обеспечение системы мониторинга позволяет изменять логику его работы таким образом, что при возникновении какого-либо события (изменения состояния датчика) система автоматически предупредит оператора с помощью письма электронной почты или SNMP-уведомления или выполнит работу по переключению определённого выхода (реле).

SNMP-сервер системы позволяет удалённо (как и через HTTP-сервер) осуществлять мониторинг состояния датчиков, реле и считывателей системы, а также изменять некоторые конфигурационные параметры (имена и уровни тревоги датчиков, состояния реле, настройки e-mail уведомлений). В качестве программного обеспечения оператора может применяться любой SNMP-браузер от простейших (getif), до многофункциональных (Winagents SNMP-browser, iReasoning SNMP-browser).

Устройство имеет возможность обновления встроенного программного обеспечения через разъем USB, а также по протоколу FTP.

Ниже приведены изображения системы мониторинга Sky Control (см. рисунок 5).

Рисунок 5 – Модули и элементы системы мониторинга Sky Control

Заключение.

В результате выполненного анализа эффективности применения ветро-солнечной установки в условиях Белгородской области стало очевидно, что ключевым фактором, определяющим выбор между применением автономной системы электроснабжения от ветросолнечной установки и проведением линий электропередачи (ЛЭП) от объекта к сетям централизованного энергоснабжения сельских потребителей, является конкурентоспособность ее стоимости и срока окупаемости ветро-солнечной установки в сравнении с капиталовложениями на подключение и расходами на оплату электроэнергии от централизованного электроснабжения.

Годовая выработка энергии во многом зависит от распределения по скоростям и направлениям местных ветров, а так же от места расположения ветро-солнечной установки. В частности следует отметить, что полученные данные показывают несоответствие между заявленным паспортным номинальными значениями и реальными данными, так примерная годовая выработка должна составить примерно 2891 кВт∙ч, а в результате получаем значение равное 1322 кВт∙ч.