Оценка графиков потребления электрической энергии объектов на сельских территориях как нагрузки солнечной электростанции

Введение. Сегодняшний высокий уровень охвата системами электроснабжения с максимальным обеспечением электрической энергией производственных и коммунально-бытовых потребителей характерен, прежде всего, для густонаселенных территорий и конгломератов, на которых размещены промышленные объекты, требующие обязательной гарантии бесперебойной подачи энергии с заявленным её качест вом. Но в то же время много внимания уделяется и вопросам повышения надежности и обеспечения качественного, гарантированного электроснабжения удаленных от централизованных энергосистем территорий, на которых ведется интенсивная хозяйственная деятельность и проживает достаточно большой процент населения. По данным Минэнерго - от 60 до 70% территории России сегодня не охвачено централизо- ванным электроснабжением. Следует также отметить, что многие сельхозтоваропроизводители стремятся уменьшить электроемкость выпускаемой продукции и снизить ее себестоимость, серьезной статьей затрат у которых является зависимость от оплаты за электрическую энергию, тарифы на которую устанавливают-энергоснабжающие организации. Снизить финансовую нагрузку производителя, да и частного домовладельца, можно, внедрив энергосберегающие мероприятия и технологии. Одной из влияющих на энергосбережение технологий является применение возобновляемых источников энергии, и в том числе солнечных фотоэлектрических станций.

Ответственным моментом, как с технической, так и с технологической точек зрения, является вопрос об эффективной утилизации солнечной радиации в процессе ее преобразования в электрическую энергию.

Согласование режимов работы солнечной электростанции и потребителей электрической энергии на сельских территориях очень часто рассматривается с точки зрения организации работы микросистемы (микросети) или оптимизации систем распределенной генерации [1-7], нормальное функционирование которых характеризуется и оценивается такими техникоэкономическими показателями, как потери и себестоимость электрической энергии, уровень напряжения на вводе у потребителя, надежность электроснабжения. Поэтому в опубликованных работах много внимания посвящено улучшению качества и надежности электроснабжения потребителей на сельских территориях, снижению потерь электрической энергии, осуществить которые предлагается за счет модернизации структуры электрической сети, которая зачастую так и не становится оптимальной по своей конфигурации и согласованной по режиму работы [1-3, 6].

Именно поэтому, на наш взгляд, исследовательский и практический интерес представляет собой изучение вопроса по анализу существующих графиков потребления электрической энергии производственными потребителями и объектами, расположенными на сельских территориях как нагрузки солнечной фотоэлектрической станции.

Целью статьи является выявление общих закономерностей в характере графиков электрических нагрузок объектов на сельских территориях - основных потребителей энергии, вырабатываемой на солнечной электростанции.

Методика исследования. Графики нагрузок потребителей электрической энергии [8] делятся на типовые, приведенные в справочной литературе (в том числе в относительных единицах), и эмпирические, полученные с использованием приборов контроля и учета. Характер изменения в течение суток или рабочей смены графика нагрузок зависит от особенностей технологического процесса и режимов работы электроустановок конкретного рассматриваемого потребителя.

К производственным сельскохозяйственным потребителям нами отнесены те из них, которые непосредственно производят сельскохозяйственную продукцию, а также такие объекты, как оросительные системы и станции, мастерские по ремонту сельскохозяйственных машин и механизмов и т.д. [3, 8, 10].

Результаты исследования и их обсуждение. Согласно [10] выделяются несколько групп сельскохозяйственных потребителей, обобщенные графики электрических нагрузок которых представлены на рисунках 1, 3-7.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Время суток, ч

Рисунок 1 - Суточный график активной нагрузки производственных потребителей крупных коллективных хозяйств

На суточном графике производственных потребителей коллективных хозяйств (рисунок 1), к которым относят фермы крупного рогатого скота, свиноводческие, птицеводческие, кролеводческие и овцефермы: хозяйственные дворы (кузница, мастерская, гараж, строительный цех и пр.); холодильники, мельницы, овощехранилища, механизированные бригады; насосные станции водоснабжения; маслобойни, крупорушки; котельные, комбикормовые цеха и т.п. [10], явно про сматриваются два суточных максимума: первый - наибольший (100%), который наступает примерно в 1100 часов независимо от времени года, а второй - в 1700 летом и на полтора часа раньше в остальные периоды года, составляя значение 70-75% от номинальной мощности потребителя. Оба максимума приходятся на период интенсивной работы солнечной генерирующей установки в светлое время суток (рисунок 2).

Рисунок 2 - Суточный график выработки электрической энергии солнечной фотоэлектрической станцией

На рисунке 3 представлен характер изменения графиков электрической нагрузки коммунальнобытовых потребителей крупных хозяйств и посёлков городского типа (ПГТ), а также городов районного подчинения. Их отличительной особенностью является тот факт, что максимум суточного потребления (100%) наступает в 1900 зимой, 2000 - осенью и в 2100 и 2200 соответственно весной и летом. Первый суточный всплеск электропотребления наблюдается в 800 независимо от времени года и составляет относительно максимума потребления 65-75% зимой, 40-55% летом. После этого явно прослеживается спад потребления электрической энергии, продолжающийся по времени до 1600 и сопровождающийся снижением потребляемой мощности до 25% в хозяйствах и 40% - в населенных пунктах. Характер поведения графиков для летнего и осеннего периода совпадает по времени до 1500, что видно на рисунке 3 а и до 1800 - рисунок 3 б. Так как рассвет в осенне-весеннее время наступает в 800, а зимой в 900, то первый максимум нагрузки для этих объектов, а также ни один из вечерних всплесков потребления электроэнергии не может быть обеспечен её выработкой от солнечной генерирующей установки. Кроме того, если выделить на графиках период работы фотоэлектрических модулей, то вырабатываемая ими электроэнергия может покрыть нагрузку, которая колеблется в пределах 30-50% от номинальной мощности.

Суточные графики изменения нагрузки производственных и коммунально-бытовых потребителей крупных коллективных хозяйств существенно отличаются от графика генерации электрической энергии солнечной электростанцией, имея при этом один суточный максимум в 1300-1400.

Суточный график активной нагрузки комплексов по производству молока, представленный на рисунке 4, имеет три явно выраженных пика потребления электрической энергии, соизмеримых между собой по размаху амплитуды, которые оцениваются в диапазоне значений от 90-100%. При этом разница между максимальной мощностью и минимальной составляет от 45% до 65%. Первый максимум нагрузки наступает вне зависимости от сезона в 800, остальные - с 1600 до 2000. Во время наибольшей интенсивности солнечного излучения, а это период времени суток с 1300 до 1400, потребляемая мощность не превышает зимой 75%, в остальное время года - 60%, характеризующих время дневного провала потребления электрической энергии. Сезонные суточные графики изменения потребления электроэнергии для лета и осени совпадают. Проанализировав изложенные данные, можно говорить, что время работы солнечной энергоустановки только летом позволяет обеспечить пики нагрузки, в осенневесенний период - только первых два, а зимой - второй.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Время суток, ч

а

б

Рисунок 3 - Суточный график нагрузки коммунально-бытовых потребителей крупных коллективных хозяйств (а), поселков городского типа (ПГТ) и городов районного подчинения (б)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Время суток, ч

Рисунок 4 - Суточный график активной нагрузки комплексов по производству молока

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Время суток, ч

Рисунок 5 - Суточный график активной нагрузки комплексов по производству свинины и птицефабрик

Из анализа характера поведения суточного графика активной нагрузки комплексов по производству свинины и на птицефабриках (рисунок 5) видно, что два пика нагрузки наступают в 1000 и 1600. Можно констатировать, что они наступают во время интенсивной работы солнечных модулей с максимальной выработкой энергии. Графики летнего, осеннего и весеннего периодов практически совпадают, при этом с 1200 до 1900 потребление характеризуется достаточно равномерным изменением.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Время суток, ч

Рисунок 6 - Суточный график активной нагрузки тепличных комбинатов с обогревом от котельных

Весенний и летний графики нагрузки тепличных комбинатов (рисунок 6) идентичны и имеют, как и зимний, два максимума - в 1000 и в 1600. В осенний период первый всплеск потребления электрической энергии наступает на час позже - в 1100. Потребляемая мощность в светлое время суток колеблется от 70% до 100% от номинального значения в зависимости от времени года.

Суточный график односменного перерабатывающего сельскохозяйственную продукцию предприятия (рисунок 7 а) имеет два явно выраженных максимума, не зависящих от времени года. Наибольший наступает в 1100, а второй - в 1600 и составляет 80% от номинальной мощности. Минимальная потребляемая мощность соответствует диапазону значений от 40% до 50% и приходится на максимум интенсивности сол- нечного излучения, наблюдаемого в 1300. График аналогичного производственного объекта с двухсменным технологическим процессом (рисунок 7 б) отличается лишь тем, что вечерний пик нагрузки наступает на час раньше, а остальные два максимума потребляемой мощности приходятся на 1900 и 2100. Таким образом, в летнее время первый всплеск потребления может быть покрыт выработкой от солнечной электростан ции, а второй в любое время года только за счет энергии из централизованной электрической сети.

Из анализа графиков рисунка 8 видно, что максимумы потребляемой мощности (100% и 80% соответственно) мелкомассивного орошения наступают в 1000—1 100 и 1500-1600, то есть в тот период суток, когда солнечная активность достаточно высокая, хотя максимум инсоляции приходится на минимум нагрузки в 70% летом и 85% в остальное время года.