Математическое моделирование гибридной ветро-солнечной станции для электроснабжения собственных нужд

Автор: Митрофанов Сергей Владимирович, Перепелкин Кирилл Александрович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power

Статья в выпуске: 3 т.22, 2022 года.

Бесплатный доступ

В статье представлено математическое моделирование гибридной энергетической установки (ГЭУ), работающей на возобновляемых источниках энергии. В состав ГЭУ входит ветровой модуль, солнечный модуль, система накопления электроэнергии. Предполагается использование ГЭУ для электроснабжения собственных нужд ботанического сада, описан принцип работы станции. Проведен анализ ежемесячных данных средней инсоляции и средних значений скорости ветра в Оренбургской области. Для расчетов использован реальный график нагрузок ботанического сада. Анализ выполнен на основе данных по солнечной инсоляции и скорости ветра за последние 20 лет. Выявлено, что наибольшая генерация солнечной электроэнергии в течение года происходит в период с июня по июль, а наибольшая генерация ветровой электроэнергии в течение года происходит в период с января по март. Суммарная генерация позволяет обеспечивать собственные нужды ботанического сада электроэнергией в любой месяц, кроме октября и ноября. Излишняя же электроэнергия, вырабатываемая летом, может использоваться для производства водорода, использующийся в качестве топлива для водородного топливного элемента или хранения его в накопителях.

Еще

Фотоэлектрический модуль, солнечные панели, ветрогенератор, гибридная энергетическая установка

Короткий адрес: https://sciup.org/147238627

IDR: 147238627 | DOI: 10.14529/power220302

Текст научной статьи Математическое моделирование гибридной ветро-солнечной станции для электроснабжения собственных нужд

В современном мире потребление электроэнергии возрастает, что приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Для удовлетворения спроса на электроэнергию растет потребление невозобновляемых ресурсов. Замена ископаемого топлива для производства энергии возобновляемыми источниками имеет решающее значение для снижения выбросов в атмосферу. Применение установок, работающих на одном возобновляемом источнике энергии, является нецелесообразным из-за стохастического характера его проявления. Исходя из анализа публикаций [1–11], можно сделать вывод о том, что для надежного электроснабжения потребителей целесообразнее применять гибридные энергетические установки (ГЭУ), работающие на нескольких возобновляемых источниках энергии. В работе рассмотрено прогнозирование выработки электроэнергии ГЭУ, состоящей из солнечного и ветрового модулей, в условиях Оренбургской области. Предполагаемая станция будет расположена на территории ботанического сада Оренбургского государственного университета (ОГУ) и предназначена для питания его собственных нужд. Стохастический характер возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, усложняет использование ГЭУ. К примеру, бывают периоды, когда ветровой ресурс отсутствует, таких дней может быть несколько подряд (как в нашем случае), а это значит, что ветряные станции не будут вырабатывать электроэнергию. В таком случае солнечный модуль будет замещать недостаток ветрового ресурса. Основной проблемой разрабатываемой ГЭУ является одновременное отсутствие ветрового и солнечного ресурса.

В этом случае для обеспечения бесперебойности и надежности электроснабжения потребителя необходимо иметь либо надежную систему накопления электроэнергии, либо резервное питание от общей энергосистемы. Ранее в работе [12] были выполнены экспериментальные исследования ветросолнечной станции малой мощности, которые подтверждают ранее указанные недостатки. Рассмотрим принципиальную структурную схему получения электроэнергии с помощью ГЭУ на основании анализа литературных источников [1–11, 13].

В разработанной ГЭУ основным источником электроэнергии являются ветряные турбины и солнечные панели. В светлое время суток они способны совместной работой обеспечивать электроэнергией потребителей, а в ночное время суток электрическую энергию способны вырабатывать только ветряные турбины. Для надежной работы самой ГЭУ в качестве источника питания собственных нужд, системы оперативного постоянного тока (СОПТ) и телеуправления коммутационными аппаратами может быть использована общая энергосистема. Если ГЭУ невозможно подключить к общей энергосистеме, то необходима надежная система накопления электроэнергии, в том числе гибридная. В такую систему входят аккумуляторные батареи, суперконденсаторы и топливные элементы. Стоить отметить, что и при нормальном режиме работы, как в ночное, так и в светлое время суток, эти источники питания также способны отдавать электроэнергию в сеть, что, несомненно, повышает надежность электроснабжения потребителей при резких изменениях нагрузки со стороны потребителей.

Принцип работы данной ГЭУ (рис. 1) следующий: вырабатываемая солнечными панелями и

Рис. 1. Структурная схема ГЭУ

Fig. 1. Structural diagram of the GEU

Рис. 2. Предполагаемое место для расположения проектируемой ГЭУ

Fig. 2. The proposed location for the location of the projected GEU

ветрогенераторами электрическая энергия поступает напрямую (или через конвертор) к шинам переменного и постоянного тока. От шин переменного и постоянного тока получают питание как потребители, так и собственные нужды станции, СОПТ и т. д.

Для повышения надежности системы накопления электроэнергии можно использовать систему накопления водорода. При низком потреблении электроэнергии основными и вспомогательными потребителями можно к шинам постоянного тока подключить электролизер. Вырабатываемый водород будет накапливаться в системе хранения. При недостаточной выработке электроэнергии ГЭУ и разряженных аккумуляторных батареях и конденсаторах с помощью водородного топливного элемента можно будет поддерживать уровень напряжения в сети до самоустранения проблемы нехватки возобновляемых ресурсов [13].

Ботанический сад Оренбургского государственного университета расположен в центре г. Оренбурга в Северном районе города (рис. 2). Для анализа ресурсов для солнечного и ветрового модуля ГЭУ были использованы источники [14–16].

Электрической нагрузкой ботанического сада являются 2 погружных насоса по 5,5 кВт, работающие для подпитки водоемов и создания напора для поливных систем, светодиодное освещение аллей и бытовых помещений для обслуживающего персонала общей установленной мощностью 1 кВт, электроинструмент для ухода за растениями установленной мощностью 2 кВт.

Для примера расчета был взят график нагрузки ботанического сада за 2021 год, исходя из показаний приборов учета, установленных на подстанции. График нагрузки потребителей ботанического сада показан в табл. 1.

Солнечный модуль ГЭУ подключен к шинам постоянного тока и работает на принципах фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Модуль может быть сетевым (подключение только к энергосистеме) или гибридным (подключение к энергосистеме и к системе накопления электроэнергии одновременно). При математическом описании ГЭУ мощность, вырабатываемая фотоэлектрическим модулем (ФЭМ), можно представить в следующем виде [5]:

Р фэм = / фэм ' ^Р ном ~ [1- ° ' (Т - Г₂₅ о )], (1) где Р ф _эм - выходная мощность ФЭМ, кВт;

/фэм — коэффициент, описывающий снижение выходной мощности фотоэлектрического модуля из-за старения, запыленности, %;

Рном - номинальная мощность ФЭМ, кВт;

G - фактическая солнечная инсоляция, кВт^ч/м ² ;

Таблица 1

Значения нагрузки потребителя

Table 1

Consumer load values

Месяц	Значение нагрузки, кВт·ч/мес.	Месяц	Значение нагрузки, кВт·ч/мес.
Январь	5248	Июль	4606
Февраль	5022	Август	2850
Март	5757	Сентябрь	6601
Апрель	3561	Октябрь	8264
Май	5018	Ноябрь	7497
Июнь	3925	Декабрь	5394

GСИС — номинальная солнечная инсоляция, принимаемая за 1 кВт·ч/м2;

о - температурный коэффициент, %/°С;

Т р - рабочая температура поверхности ячейки ФЭМ, °С;

Т₂₅ о - стандартная температура ФЭМ, обычно принимаемая за 25 °C [5].

Рабочая температура поверхности ячейки ФЭМ определяется по формуле [5]

Т_Р = Т_окр + G • ^ ^Г ^н'^ра6 " ^Г 2₅^о А • f 1 - Л с \ (2)

Р окр 800 та ’ где Токр - температура окружающей среды, °С;

Т_н , _раб - номинальная рабочая температура ФЭП (по данным завода-изготовителя), °С;

Пс - коэффициент полезного действия ФЭП;

та - коэффициент пропускания солнечного света любым покрытием над ФЭП, принимается равным 0,9 по [5].

Для солнечного модуля гибридной установки были выбраны три варианта односторонних солнечных панелей: типа HVL-315HJT, HVL-325HJT и HVL-330HJT. Для проекта ГЭУ солнечный модуль состоит из 50 панелей типа HVL-315HJT, 60 панелей типа HVL-325HJT и 50 панелей типа 330HJT. Общая установленная мощность спроектированного солнечного модуля составляет 51,75 кВт. Технические характеристики ФЭМ типа HVT представлены в табл. 2.

На рис. 3 представлены ежемесячные средние значения инсоляции в месте установки ГЭУ по данным за 20 лет [14].

Результаты расчета энергии, выдаваемой тремя ФЭП различного типа HVL в течение суток по формулам (1) и (2) для каждого месяца в среднем с учетом температуры окружающей среды и рабочей температуры поверхности ячейки ФЭП, сведены в табл. 3.

Таблица 2

Технические характеристики ФЭМ типа

Table 2

Technical characteristics of the FEM type

Наименование показателя	HVL-315HJT	HVL-325HJT	HVL-330HJT
Номинальная мощность, Вт	315	325	330
Допустимое отклонение номинальной мощности, %	5	5	5
Эффективность, %	19,04	19,4	19,7
Постоянный ток в рабочей точке ^ max (^ TMM ), А	8,81	8,9	8,97
Ток короткого замыкания (7_SC), А	9,33	9,29	9,48
Напряжение холостого хода фхх ), В	44,22	44,08	44,18
Напряжение при максимальной мощности (в рабочей точке) P_m ax №mm ), В	36,35	36,74	36,84
Номинальная рабочая температура, °С	38,8	38,8	38,8
Температурный коэффициент σ, %/°С	–0,249	–0,244	–0,244
Количество ФЭП для проектируемого солнечного модуля ГЭУ	50	60	50

Average hourly profiles

Direct normal irradiation [Wh/m2]

	Jan	Feb	Mar	Apr	May	Jun	Jul	Aug	Sep	Oct	Nov
0-1 1 • 2 2-3
3 4
4-5						22
5 ■ 6					135	220	160	8
6-7				144	303	349	322	216	46
7 8			79	281	405	441	436	352	280	72
6-9	1	41	177	368	471	505	519	427	375	242	43
9 • 10	82	140	234	428	512	537	554	480	434	292	156	96
10-11	140	207	289	459	526	546	555	503	461	319	184	137
И - 12	179	316	390	466	530	535	545	513	468	391	200	145
12-13	188	372	435	450	508	530	522	506	456	338	194	132
13 ■ 14	156	288	357	414	482	520	507	478	421	298	172	120
14-15	126	237	313	364	451	487	480	451	389	264	143	97
15-16	93	206	297	348	428	459	451	423	350	225	75	41
16-17 \|	3	124	253	317	390	423	414	371	290	121
17-18			138	245	337	379	354	311	157
18-19				89	258	313	283	173	9
19-20					78	196	153	3
20-21						4
21 22 22-23 23-24	969	1931	2962	4395	5814	6467	6257	5217	4135	2564	1166	767

Рис. 3. Ежемесячные средние значения инсоляции в месте установки ГЭУ Fig. 3. Monthly average values of insolation at the GEU installation site

Суммарная энергия, генерируемая всем солнечным модулем ГЭУ, обеспечивающим покрытие графика нагрузок, приведена в табл. 4.

Для увеличения выработки солнечной энергии можно использовать двухосевой солнечный трекер. Как показывают экспериментальные исследования, прирост энергии может составить до 30 % [17]. Также для проектирования солнечного модуля ГЭУ можно воспользоваться программным обеспечением PVsyst [18].

Ветровой модуль подключен к шинам переменного тока и состоит из ветровой турбины, электрического генератора и преобразователя напряжения. Ветровая турбина преобразует кинетическую энергию вращения лопастей в электрическую энергию. Ветровой модуль ГЭУ состоит из трех ветрогенераторов типа DAMPES по 5 кВт каждый. Технические характеристики ветрогенератора типа DAMPES представлены в табл. 5.

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Среднее значение энергии, вырабатываемое ФЭП типа HVL в сутки по месяцам

Table 3

The average value of energy produced by HVL-type FEP per day by month

Месяц	Средняя инсоляция G, Вт·ч/м², за сутки	Тип ФЭП
Месяц	Средняя инсоляция G, Вт·ч/м², за сутки	HVL-315HJT, Вт·ч/сут.	HVL-325HJT, Вт·ч/сут.	HVL-330HJT, Вт·ч/сут.
Январь	969	332	342	347
Февраль	1931	660	679	690
Март	2962	996	1026	1042
Апрель	4395	1434	1479	1502
Май	5814	1855	1913	1943
Июнь	6467	2040	2105	2137
Июль	6257	1968	2031	2062
Август	5217	1645	1698	1724
Сентябрь	4135	1334	1376	1397
Октябрь	2564	841	867	880
Ноябрь	1166	393	405	411
Декабрь	767	262	270	274

Суммарные значения энергии, получаемые солнечным модулем ГЭУ в среднем за сутки по месяцам

Table 4

The total energy values received by the solar module of the GEU on average per day by month

Месяц	Энергия, кВт·ч/сут	Месяц	Энергия, кВт·ч/сут
Январь	54,5	Июль	323,3
Февраль	108,2	Август	270,3
Март	163,4	Сентябрь	219,1
Апрель	235,5	Октябрь	138,0
Май	304,7	Ноябрь	64,4
Июнь	335,2	Декабрь	42,9

Технические характеристики ветрогенераторов типа DAMPES

Table 5

Technical characteristics of wind turbines of the DAMPES type

Наименование показателя	Величина
Номинальная мощность, кВт	5
Максимальная механическая мощность, кВт	7
Количество лопастей	3
Диаметр ветродвигателя, м	6
Рабочий диапазон скоростей ветра, м/c	3–30
Рабочий диапазон температур, °С	–60…+50
Аккумуляторное напряжение, В	96
Минимальная рабочая скорость ветра, м/с	3
Максимальная рабочая скорость ветра, м/с	30
Номинальная скорость ветра, при которой вырабатывается максимальная мощность, м/с	10

Ветровая турбина является источником элек- троэнергии только в тех случаях, когда скорость турбины v находится в пределах от минимальной скорости ветра (скорость включения турбины рвкл) до максимальной скорости ветра (скорость отключения турбины Роткл). Номинальная мощность турбины также ограничена номинальной скоростью ветра vB,H0M. Итого получаем, что выходная механическая мощность ветряной турбины зависит от скорости ветра следующим образом [5–6]:

^ ВТмех

0, при V bt < Р вкл или V bt > Р откл

^вкл Р вт,м _а к _С , , при У вкл < V < ^V b,hom , (3) ^ив,ном ^ивкл

^ вт,макс, ^при ^v b,hom < ^v< ^v откл

•{

где Р_вт , _макс - максимальная механическая мощность турбины (по данным завода-изготовителя), кВт;

vBT - скорость ветра, м/с.

Выходная электрическая мощность может быть определена путем умножения механической мощности на коэффициенты полезного действия редуктора (при наличии) и электрического генератора. С другой стороны электрическая мощность

ВЭУ может быть определена по формуле [6], с учетом КПД редуктора и электрического генератора [7] запишем

Р вэу 2 ^Р^Р ^х ^П^ ^т П мех П ген ,

где Ср - коэффициент эффективности использования мощности ветрового потока, принимаемый для трехлопастного ветрогенератора равным 0,38 по [7];

p_s - плотность воздушного потока, принимаемая в нормальных условиях равной 1,226 кг/м³;
R – радиус ветроколеса, м;

П_мех,П г _ен - коэффициенты полезного действия редуктора ветротурбины и электрического генератора соответственно, о. е.

В табл. 6 представлены ежемесячные средние значения скорости ветра в месте установки ГЭУ по данным за последние 20 лет [18] на высоте 10 м.

Расчет механической и электрической энергии, выдаваемой ветровым модулем, выполнен по формулам (3) и (4) в течение 12 месяцев и приведен в табл. 7.

По результатам расчета по формулам [1–4] была получена среднемесячная выработка электрической энергии ГЭУ. Результаты расчетов приведены на рис. 4.

Таблица 6

Средние значения скорости ветра в месте установки ГЭУ

Таблица 7

Table 6

Average values of wind speed at the location of the GEU installation

Месяц	Скорость ветра, м/c	Месяц	Мощность, м/c
Январь	6,91	Июль	5,47
Февраль	7,11	Август	5,59
Март	6,90	Сентябрь	6,33
Апрель	6,82	Октябрь	6,60
Май	6,30	Ноябрь	6,60
Июнь	5,73	Декабрь	6,59

Расчетная электрическая энергия ветрового модуля ГЭУ

Table 7

Estimated electrical energy of the wind module of the GEU

Месяц	Скорость ветра р _вт , м/c	Механическая энергия, кВт·ч/сут	Электрическая энергия, кВт·ч/сут
Январь	6,91	153,14	118,99
Февраль	7,11	168,05	129,62
Март	6,9	152,42	118,47
Апрель	6,82	146,71	114,4
Май	6,3	112,75	90,18
Июнь	5,73	81,46	67,85
Июль	5,47	69,09	59,02
Август	5,59	74,65	63
Сентябрь	6,33	114,57	91,47
Октябрь	6,6	131,69	103,68
Ноябрь	6,6	131,69	103,68
Декабрь	6,59	131,03	103,21

Рис. 4. Объем вырабатываемой электроэнергии спроектированной ГЭУ

Fig. 4. The volume of electricity generated by the designed GEU

Заключение

Анализ полученных расчетных данных показал, что суммарная генерация позволяет обеспечивать собственные нужды ботанического сада ОГУ электроэнергией в любой месяц, кроме октября и ноября. В октябре и ноябре необходим еще один источник электроэнергии. Это может быть централизованное электроснабжение или мощный источник-накопитель электроэнергии. Таким источником может быть водородный топливный элемент, питающийся от системы хранения водорода. В момент, когда производство электроэнергии превы- шает необходимое значение, электроэнергия, вырабатываемая ГЭУ, может использоваться для производства водорода путем электролиза с последующим его хранением в водородных баках. Стоит также отметить, что совместное применение основных источников электроэнергии – ветряных турбин, солнечных панелей и систем хранения электроэнергии – существенно повышает надежность работы ГЭУ. В сочетании с гибридными системами хранения электроэнергии ГЭУ позволит осуществлять бесперебойное электроснабжение потребителей.

Список литературы Математическое моделирование гибридной ветро-солнечной станции для электроснабжения собственных нужд

Frimpong S.O., Millham R.C., Agbehadji I.E. A comprehensive review of nature-inspired search techniques used in estimating optimal configuration size, cost, and reliability of a mini-grid HRES: a systemic review // Lecture notes in computer science. 2021. No. 12957 LNCS. P. 492-507.
Economic evaluation of a hybrid renewable energy system (HRES) using hybrid optimization model for electric renewable (homer) software-a case study of rural India / K.K. Sharma, A. Gupta, R. Kumar et al. // International journal of low carbon technologies. 2021. Vol. 16, no. 3. P. 814-821. DOI: 10.1093/ijlct/ctab012
Sizing and economic analysis of stand-alone hybrid photovoltaic-wind system for rural electrification: A case study Lundu, Sarawak / H.N. Afrouzi, A. Hassan, Y.P. Wimalaratna et al. // Cleaner engineering and technology. 2021. Vol. 4. P. 100191. DOI: 10.1016/J.CLET.2021.100191
Babatunde O.M., Munda J.L., Hamam Y. Selection of a hybrid renewable energy systems for a low-income household // Sustainability. 2019. Vol. 11, no. 16. P. 4282. DOI: 10.3390/SU11164282
Optimal design and techno-economic analysis of renewable-based multi-carrier energy systems for industries: A case study of a food factory in China / Ximei Li, Jianmin Gao, Shi You, Yi Cheng // Journal Pre-proof. 2022.
Techno-economic and environmental evaluation of grid-connected and off-grid hybrid intermittent power generation systems: A case study of a mild humid subtropical climate zone in China / C. Li, Y. Zheng, Z. Li et al. // Energy. 2021. Vol. 230. P. 120728.
Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Грибков С.В. Ветроэнергетика: справ.-метод. изд. / под общ. ред. П.П. Безруких. М.: Интехэнерго-Издат: Теплоэнергетик, 2014. 304 с.
Saryyev Kakageldi A., Nazarov Serdar B., Matyakubov Amirhan A. Scientific and technical basis for the implementation of combined technologies using renewable energy sources // Syktyvkar university bulletin. Series 2: Biology. Geology. Chemistry. Ecology. 2022. No. 1 (21). С. 78-86. DOI: 10.34130/2233-1277-2021-4-78
Усков А.Е. Определение оптимальной группы потребителей для электроснабжения с использованием ветро-солнечных электростанций // Вестник Донского государственного технического университета. 2018. Т. 18, № 1. С. 118-123. DOI: 10.23947/1992-5980-2018-18-1-118-123
Сабурова Е.А., Цыцельская В.А. Ветроэнергетика, принцип работы ветрогенераторов и перспективы развития // Сборник докладов XXI Международной научно-практической конференции. Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2019. С. 460-465.
Optimal sizing of a Hybrid Renewable Energy System: Importance of data selection with highly variable renewable energy sources / J.C. Alberizzi, J.M. Frigola, M. Rossi, M. Renzi // Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 223. P. 113303.
Митрофанов С.В., Немальцев А.Ю., Байкасенов Д.К. Принципы построения системы управления и контроля ветро-солнечной электростанции // Состояние и перспективы развития электро- и теплотехноло-гии (XXI Бенардосовские чтения): материалы междунар. науч.-технической конф., Иваново, 02-04 июня 2021 года. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2021. С. 229-232.
Abo-Elyousr F.K., Guerrero J.M., Ramadan H.S. Prospective hydrogen-based microgrid systems for optimal leverage via metaheuristic approaches // Applied Energy. 2021. Vol. 300. P. 117384.
Global Solar Atlas [Электронный ресурс]. URL: https://globalsolaratlas.info (дата обращения: 06.06.2022).
Global Wind Atlas [Электронный ресурс]. URL: https://globalwindatlas.info (дата обращения: 06.06.2022).
NASA Prediction of Worldwide Energy Resource [Электронный ресурс]. URL: https://power.larc.nasa.gov (дата обращения: 27.05.2022).
Митрофанов С.В., Немальцев А.Ю., Байкасенов Д.К. Первичная апробация автоматизированного двухкоординатного солнечного трекера в климатических условиях Оренбургской области как перспектива создания программно-аппаратного комплекса // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2018. № 7-9. С. 43-54. DOI: 10.15518/isjaee.2018.07-09.043-054
Митрофанов С.В., Байкасенов Д.К. Исследование способов повышения энергетической эффективности сетевой фотоэлектрической станции в программном обеспечении PVsyst // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2021. Т. 21, № 2. С. 85-93. DOI: 10.14529/power210209

Еще

Статья научная