Автономные системы электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии для сельских объектов

Введение. На сегодня в сельских районах России наиболее доступными и реализуемыми с практической точки зрения во-зобновляемыми источниками энергии являются ветер и солнечное излучение. Эти источники энергии характеризуются нерегулярностью, что ограничивает их применение либо в качестве резервных, либо требует дублирования другими источниками энергии (топливными электростанциями, аккумуляторами) [1]. Тем не менее, из-за высокой экологичности и неисчерпаемости, интерес к ВИЭ непрерывно растет во всем мире не только на уровне частных потребителей электроэнергии, но и на уровнях крупных корпораций и государственных органов управления. Только в России потенциал ВИЭ превышает в 5 раз объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов. При этом сохраняется актуальность изыскания путей повышения эффективности применения ВИЭ [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

На наш взгляд, наибольшую эффективность ВИЭ могут иметь в сельском хозяйстве, так как:

V в сельском хозяйстве потребители электроэнергии в большей мере рассредоточены, чем в промышленности, что в большей степени соответствует рассредоточению энергии ветра и солнечного излучения;

V большинство потребителей агропромышленного комплекса могут делать более длительные перерывы в электроснабжении, чем промышленные потребители, вследствие чего они менее требовательны к регулярности поступления энергии;

V установленная мощность потребителей агропромышленного комплекса на несколько порядков ниже, чем в промышленности, что позволяет обходиться менее мощными, а значит более дешевыми преобразователями ВИЭ;

V в сельском хозяйстве России имеются потребители электроэнергии, не имеющие связи с централизованным электроснабжением (мелкие фермерские и другие аналогичные хозяйства). Учитывая высокую стоимость электрических сетей, эта особенность повышает конкурентоспособность автономных систем электроснабжения на основе ВИЭ.

Для практической реализации перечисленных особенностей для сельских потребителей в России и за рубежом разработаны и разрабатываются различные варианты автономного электроснабжения на

основе ветроэлектростанций и фотоэлектрических станций [9, 10, 11]. Естественно, что эффективность таких разработок зависит от объектов электроснабжения и условий действия ВИЭ в конкретном регионе. В этой связи целесообразно провести анализ перспективных вариантов автономного применения ВИЭ и оценить их эффективность.

Методика исследований. На рисунке 1 приведена классификация автономных систем электроснабжения [12].

Рисунок 1 – Классификация автономного электроснабжения

Figure 1 – Classification of autonomous power supply

В соответствии с поставленной целью, в приведенной классификации топливные электростанции следует рассматривать только в случаях их совместной работы с другими электростанциями на ВИЭ.

Еще одной особенностью сельских объектов автономного электроснабжения является то, что практически всегда имеются периоды, когда электроэнергия не требуется. Если такие периоды совпадают с периодами отсутствия энергии от ВИЭ, то это никак не сказывается на надежности электроснабжения. Если же период отсутствия энергии совпадает полностью или частично с периодом потребности в электроэнергии, то тогда электроснабжение должно осуществляться от резервного источника (топливной электростанции или аккумулятора).

Топливная электростанция – более надежный резервный источник, чем аккумулятор, но является более дорогой и требует расхода углеводородного топлива. В то же время избыток энергии ветра или солнечного излучения может накапливаться в аккумуляторах энергии без дополнительных затрат на топливо.

Сложность практического извлечения пользы от этой особенности представляют случайные графики нагрузки автономных сельских объектов. Вариации графиков отсутствия и поступления энергии от ВИЭ значительно снижают точность расчетов автономных систем электроснабжения. Для снижения вариаций нагрузки обычно используют сезонные графики работы, но и в этом случае приходится пользоваться так называемыми модельными графиками, которые могут отличаться от реальных графиков. На рисунках 2–4 представлены модельные графики некоторых сельских объектов.

Как видно из графиков, в течение суток имеются периоды отсутствия потребности в электроэнергии или значительного снижения нагрузки. Кроме того, анализ потребителей электроэнергии показывает, что практически на всех малых сельских объектах имеются потребители электроэнергии, которые могут работать на постоянном токе. Это позволяет применять аккумуляторы без инверторов.

Рисунок 2 – График электрической нагрузки усадьбы фермера-полевода (лето)

Figure 2 – Graph for electric load at the arable farmer's enterprise (summer)

Рисунок 3 – График электрической нагрузки бригадного дома нерестово-выростного хозяйства (лето)

Figure 3 – Graph for electirc load on a spawning and nursery farm’s brigade house (summer)

Потребляемая мощность, кВт Power consumption, kWt

Часы суток Hours of the day

Рисунок 4 – График электрической нагрузки фермерского хозяйства молочного направления на 10 голов в зимний период

Figure 4 – Graph for electric load on a dairy farm for ten head of cattle in the wintertime

На рисунке 5 приведены структурные схемы автономных электростанций, в которых применяется разделение потребителей по роду тока.

а а

а – резерв аккумуляторная батарея; б – резерв топливная электростанция Рисунок 5 – Структурная схема автономной системы электроснабжения на основе ветроэнергетической установки с резервированием

а – backup storage battery; b – backup fuel power plant

Figure 5 – Block diagram of autonomous power supply system based on a wind power plant backup

Электростанция на основе ВИЭ может снабжать электроэнергией только в том случае, когда этот источник энергии активен. Например, ветроэлектростанция способна выдавать электроэнергию только в тот период, когда скорость ветра достаточна для работы ветроколеса. Такой непрерывный период называется энергетическим [12]. Если энергетический период сменится другим, когда скорость ветра будет меньше рабочей, то ветроэлектростанция не будет выдавать электроэнергию. В этом случае автономное электроснабжение вынуждено будет осуществляться от резервного источника (аккумулятора или резервной топливной электростанции). Такой непрерывный период называется аккумуляторным [12]. Аналогично классифицируются и периоды действия солнечного излучения.

Так как энергетические     и        Полученные зависимости аккумуляторные периоды действия ветра распределения аккумуляторных и являются случайными величинами по энергетических периодов представлены на определению, то для их учета необходимо рисунках 6 и 7. иметь статистические характеристики их распределения.

о га

1 – экспериментальная зависимость; 2 – полиномиальная аппроксимация

Рисунок 6 – Зависимость продолжительности (математического ожидания) аккумуляторного периода

1 – experimental dependence; 2 – polynomial approximation

Рисунок 6 – Dependence of the lifetime of a storage battery (mathematical expectation)

1 – экспериментальная зависимость; 2 – полиномиальная аппроксимация Рисунок 7 – Зависимость продолжительности (математического ожидания) энергетического периода

1 – experimental dependence; 2 – polynomial approximation

Figure 7 – Dependence of the lifetime of an energy period (mathematical expectation)

Результаты исследований и их обсуждение. Ранее было доказано, что полученные зависимости хорошо

– для аккумуляторного периода tA = – 47,717 – 0,0444v4 + 1,4513v3 – 12,213v2 + 47,459v;

– для энергетического периода tЭ = 65,454 – 0,0004v5 + 0,0232v4 –0,5197v3 + 5,5091v2 –28,088v.

Здесь t A , t Э – математическое ожидание аккумуляторного и энергетического периода соответственно.

Функция стоимости электрической энергии, производимой автономной ветроэлектростанцией с резервированием, зависит от рабочей скорости ветра. При большей рабочей скорости ветра можно использовать меньшее ветроколесо и вся ветроустановка становится компактнее, но при этом уменьшается и время её работы и, следовательно, увеличивается время работы резерва. Функция суммарной стоимости от рабочей скорости ветра при таких зависимостях имеет явно выраженный минимум, что неоднократно было подтверждено в ранее опубликованных работах [14].

Эта особенность была учтена при определении рабочей скорости ветра. Так, для условий Ростовской области установлено, что оптимальной по стоимости всей автономной системы электроснабжения на базе ветроэлектростанции (рисунок 5) является рабочая скорость ветра 5–7 м/с.

Как уже отмечалось, топливные электростанции способны обеспечить наибольшую надежность автономного электроснабжения. Мало того, в настоящее время в России они являются основным источником автономного электроснабжения. Однако их применение сопровождается расходом углеводородного топлива, что в современных условиях нежелательно из-за постоянного роста цен на топливо и аппроксимируются полиноминальными уравнениями, в частности, для Ростовской области это следующие уравнения [8, 9]:

отрицательного влияния на экологию. Так, при малых нагрузках, КПД топливных электростанций снижается в несколько раз [15], что приводит к неоправданному расходу топлива. В этой связи почти повсеместно ВИЭ рекомендуется использовать для экономии углеводородного топлива.

На наш взгляд, прямое использование ВИЭ для замещения работы топливных электростанций с целью экономии углеводородного топлива не вполне эффективно. Более эффективно часть нагрузки на топливную электростанцию возложить на электрохимические аккумуляторы, которые будут заряжаться от ветроэлектростанций или фотоэлектрических станций. Это позволит:

V снизить мощность топливной электростанции, поскольку часть нагрузки будет получать электроэнергию от аккумуляторов;

V увеличить КПД топливной электростанции путем устранения ее работы на малую нагрузку (малая нагрузка будет получать электроэнергию от аккумуляторов).

Структурная схема такой автономной системы электроснабжения приведена на рисунке 8. В приведенной схеме аккумуляторную батарею предлагается заряжать от фотоэлектрических панелей (ФЭП). Естественно, что можно для зарядки использовать и ветроэлектростанцию. При этом следует отметить, что применение для зарядки аккумуляторной батареи топливной электростанции будет неэффективно, так как предполагается, что передача электроснабжения части потребителей электроэнергии аккумулятору позволит уменьшить мощность, а значит, и стоимость топливной электростанции. Если же для зарядки аккумуляторов применять топливную электростанцию, то, с учетом КПД аккумулятора, придется даже увеличить её мощность.

Рисунок 8 – Структурная схема комбинированной автономной системы электроснабжения на основе топливной электростанции, аккумуляторной батареи и ФЭП

Figure 8 – Block diagram of combined autonomous power supply system based on a fuel power plant, storage battery and photovoltaic cell

Внешняя сеть External circuit

Зарядное устройство Charger

Инвертор Inverter

К нагрузке To the load

Аккумуляторная батарея Storage battery

Контроллер Controller

Рисунок 9 – Структурная схема инверторно-аккумуляторной системы резервного электроснабжения

Figure 9 – Block diagram of inverter storage system with backup power supply

Оптимальная степень замещения топливной электростанции зависит от графика нагрузки и коэффициента его заполнения и влияет на стоимость электроэнергии. Эта задача, по нашим сведениям, в настоящее время успешно решается.

Еще одной областью эффективного применения ВИЭ является аварийное электроснабжение. В качестве примера можно рассмотреть аварийное электроснабжение доильных установок на летних доильных площадках.

Для аварийного электроснабжения (в случае отказа ЛЭП) наиболее эффективно и просто применять резервные аккумуляторные электростанции (рисунок 9) [16]. При этом, так как период разряда аккумулятора в аварийном режиме основной сети электроснабжения в сотни раз превышает период его заряда до отказа основного электроснабжения, то и мощность источника зарядки аккумулятора тоже может быть уменьшена пропорционально. Это значительно повышает достоинства ВИЭ.

Для реализации схемы резервного электроснабжения в качестве внешней сети были предложены ветроэлектростанция и фотоэлектрическая станция. В обоих вариантах их применение показало эффективность применения ВИЭ.

Выводы. На основании проведенного анализа были сделаны следующие выводы, подтвержденные расчетами.

Для полного использования достоинств ВИЭ необходимо учитывать нерегулярность поступления от них энергии.

Учитывая, что наиболее целесообразными объектами электроснабжения от ВИЭ являются объекты с малой установленной мощностью и производственно-бытовой нагрузкой, эффективно разделение потребителей электроэнергии по роду тока (постоянного и переменного).

Для повышения эффективности топливных электростанций в автономных системах электроснабжения целесообразно часть потребителей питать от аккумуляторов, заряжаемых от ВИЭ. Это позволит уменьшить мощность топливной электростанции и устранить ее работу при малых нагрузках с низким КПД.

Для аварийного электроснабжения целесообразно применять аккумуляторноинверторные электростанции, причем зарядку аккумуляторов производить от ВИЭ. Многократное превышение периода зарядки над аварийным периодом разрядки в этом случае позволит в сотни раз уменьшить мощность преобразователей ВИЭ (ветроэлектростанций и фотоэлектрических станций).