Исследование и анализ оптимальных методов и способов комплексного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей

Исследование и анализ оптимальных методов и способов комплексного электроснабжения сельскохозяйственных потребителем

В.И. Чиндяскин, к.т.н., Д.В. Гринько, аспирант, Оренбургский ГАУ

Основная часть линий электропередач и трансформаторных подстанций были построены в 70-е гг. прошлого века. Результаты исследования технического состояния РЭС Приволжского федерального округа, проведённого ОГАУ в рамках федеральной целевой программы «Социальное развитие села до 2012 г.», показали, что более 60% электрооборудования отработало нормативный срок эксплуатации.

Воздушные линии электропередач (ВЛ) в основном являются радиальными, оснащены, как правило, алюминиевыми и сталеалюминиевыми проводами. При этом более 16% ВЛ 10—6—0,4 кВ находятся в неудовлетворительном и непригодном состоянии. Парк силовых трансформаторов морально и технически устарел, более 45% силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и выше отработали свой нормативный срок. Трансформаторные подстанции (ТП) 6—10/0,4 кВ, как правило, однотрансформаторные и подключены к ЛЭП в основном по тупиковой схеме и более 16% подстанций от общего числа ТП находятся в неудовлетворительном и непригодном состоянии [1].

По оценкам Международного энергетического агентства, в предстоящие 25 лет энергопотребление возрастёт примерно на 65%. Предполагается, что до 2050 г. будет израсходована большая часть всех известных мировых запасов нефти и газа [2].

Поэтому для улучшения эффективности использования электроустановок необходима реконструкция и техническое перевооружение существующих электрических сетей и исследование возможности перехода на новый источник электрической энергии [3].

На сегодняшний день в разных странах мира выработка энергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) составляет до 25—30%. В России электроэнергия, произведённая от всех альтернативных источников, составляет менее 1%.

За рубежом разрабатываются программы, направленные на применение альтернативной энергетики в целях сокращения доли ископаемого топлива. В ряде стран были приняты законопроекты об альтернативной энергетике, согласно которым энергоснабжающие компании обязаны принимать излишки энергии, полученные населением от ВИЭ.

В настоящее время в России разработана энергетическая стратегия на период до 2030 г. В рамках реализации настоящей стратегии должны быть решены следующие задачи:

— развитие технологий использования возобновляемых источников энергии, а также многофункциональных энергетических комплексов для автономного энергообеспечения потребителей в районах, не подключенных к сетям централизованного энергоснабжения;

— освоение эффективных технологий сетевого электро- и теплоснабжения на базе возобновляемых источников энергии;

— отработка технологий комбинированного использования возобновляемых источников энергии.

Несмотря на проведённые исследования и явные преимущества ВИЭ, их доля в энергетическом балансе Оренбургской области остаётся незначительной, а использование осуществляется в основном на экспериментальном уровне.

Оренбургская область обладает большим потенциалом для использования ВИЭ. Количество солнечных дней в Оренбургской области составляет 2100—2200 час. в год, наименьшая продолжительность солнечного сияния отмечается в декабре, наибольшая — в июле. Поэтому рекомендуется применение солнечной энергии в качестве дополнительного источника энергии в комбинированной установке. Средняя скорость ветра в Оренбургской области составляет 4,3 м/с. Поскольку скорость не слишком высока, то применение ветроустановок с другими источниками энергии, такими, как солнечные батареи и дизельный генератор, будет целесообразно.

Совместное действие ВИЭ позволяет использовать их взаимозаменяемость, снизить зависимость от сезона и погодных условий, повысить надёжность электроснабжения, сократить капитальные вложения и создать дополнительные рабочие места [4].

Различные факторы могут быть приняты во внимание при выборе комбинированной установки: географическое положение (ветрено, солнечно и т.д.), вид источника энергии, характер нагрузки (большее потребление в дневное или ночное время либо одинаковое), эффективность силовых устройств, преобразующих энергию.

Комбинированное использование различных источников энергии требует оптимизации параметров системы, при этом часто возникает

необходимость исследования, тестирования и сравнения различных вариантов систем, которые обходятся дорого. В связи с этим стоит обратить внимание на программное обеспечение имитационного моделирования. Для технического и экономического анализа параметров комбинированной системы в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) было разработано программное обеспечение HOMER. Моделирование с помощью программного обеспечения HOMER представляет собой мощный инструмент для разработки и анализа комбинированных систем, которые могут содержать дизельный генератор, ветряные турбины, солнечные батареи, аккумуляторы, топливные элементы и другое.

На сегодняшний день разработаны несколько видов соединения комбинированных установок на основе ВИЭ [5]:

1. Централизованная установка переменного тока AC;

2. Комбинированная установка постоянного тока DC с инвертором, соединенным с шиной магистральной линии переменного тока AC;

3. Комбинированная централизованная установка постоянного тока DC;

4. Комбинированная установка со смешанным соединением.

Появление большого количества комбинированных установок вызывает необходимость систематизации отдельных существующих разработок, что позволит формировать наиболее эффективные системы комплексного электроснабжения и адаптировать их к конкретным условиям. Любой из существующих вариантов

комбинирования ресурсов ВИЭ с дизельными генераторами и аккумуляторными батареями возможен, но будет иметь различный КПД. Для нахождения наиболее подходящих технологических решений применения комбинированной системы нужен анализ каждого компонента в отдельности и системы в целом.

Каждая установка была рассмотрена с расчётом эффективности потребляемой мощности от каждого источника питания, непосредственно или через аккумуляторную батарею. Для сравнения различных вариантов комбинированных систем электроснабжения и повышения эффективности предлагаются методы расчёта.

При анализе всех установок были учтены потери при преобразовании электрической энергии, связанные с мощностью электрических устройств и аккумуляторными батареями.

Предлагаются коэффициенты мощности Р^, Рс, Рдг, получаемые от солнечных батарей, ветряных турбин и дизельных генераторов соответственно, могут быть использованы как напрямую, так и частично через батарею. Если пд является непосредственно частью потребляемой мощности напрямую к потребителю без использования батареи, то 1—Пд является оставшейся частью мощности от всех энергетических ресурсов, потребляемой из батареи. Эффективность преобразования энергии электронных устройствах и устройств хранения энергии обозначена п с индексом пр для преобразования тока из переменного в постоянный (DC/AC), индексом ц для преобразования постоянного в переменный (AC/DC), индексы К и Б соответственно для контроллера заряда и батареи.

Уравнения для расчёта КПД установки

Ресурс Напрямую Пнпр С батареи Псбат Итого Пполн

Ветротурбина Рв Пд (1-Пд)Плр'Пб'Пп 'Лд+(1-'Пд)Лпр'Пб'Пп

Солнечная батарея Рс ПдПкПп (1-Пд)ПкПбПп ПдПкПп+(1-Пд)ПкПбПп

Дизель-генератор Рдг Пд (1-'Пд)Плр'Пб'Пп Пд+(1-Пд)ПпрПбПп

Рис. 1 - Комбинированная установка со смешанным соединением

Рис. 2 - Схема комбинированной установки

КПД потребляемой мощности для различных вариантов систем рассчитан для различных ресурсов. Расчёты установок показывают зависимость эффективности потребления энергии от процессов преобразования, а также от циклов зарядки-разрядки. Использование контроллеров заряда-разряда батареи позволяет повысить эффективность генерации солнечной энергии до 30% при использовании, что эквивалентно установке дополнительного количества солнечных модулей.

В таблице приведены уравнения для расчёта эффективности потребления энергии от трёх источников энергии в зависимости от подключения напрямую или через батарею для установки 4, представленной на рисунке 1.

Анализ расчёта КПД показывает, что когда вся энергия ветра используется напрямую, то достигается равный КПД. Таким образом, в ветреных районах могут быть использованы установки 1 и 4. Если вся мощность от ветряных турбин используется после того, как она была аккумулирована, то все установки, за исключением 1, будут эффективны. При потреблении энергии как напрямую, так и от батареи установка 4 является наилучшим выбором, при условии, что используется только энергия ветра.

Когда энергия от солнечных батарей идёт напрямую, КПД установки 1 на 3% выше по сравнению с другими установками. В солнечных местах с основным потреблением энергии в дневное время (более 85%) предпочтительнее будет установка 1. При использовании солнечной энергии, накопленной в аккумуляторных батареях, установки 2, 3 и 4 дают такие же показатели эффективности использования энергии, как и установка 1, при условии, что не более 85% солнечной энергии будет использоваться напрямую. Как правило, солнечная энергия доступна в дневное время и зависит от погоды и времени. Большая часть солнечного ресурса будет недоступна в ночное время, и аккумулирование энергии будет необходимо. Следовательно, установка 1 будет являться неэффективной.

Мощность дизельного генератора используется в качестве резервной, она может быть

использована как напрямую, так и за счёт её аккумулирования в батареях. Если мощность потребляется непосредственно от дизельного генератора, подключенного напрямую к шине переменного тока, то все установки дают одинаково высокий КПД, за исключением установки 3, в которой используется выпрямитель и инвертор. Для генератора при потреблении мощности через аккумуляторную батарею нужны AC/DC, DC/AC-преобразователи, что несёт за собой потерю мощности. Когда вся мощность генератора идёт через батарею, то установки 2, 3 и 4 имеют более высокие показатели эффективности по сравнению с централизованной установкой переменного тока 1. При любом способе потребления мощности генератора (прямой или через батарею) установки 2 и 4 дают более высокие показатели эффективности по сравнению с другими установками.

На основе проведённого анализа вышеперечисленных комбинированных установок на основе ВИЭ, имеющих схожую соединительную схему, автором предлагается обобщённая соединительная схема, изображённая на рисунке 2.

Таким образом, проведённые исследования показывают, что для комплексного электроснабжения потребителя необходимо применять уточнённые методы расчёта эффективности комбинированных установок.

При этом рассматривать разные источники энергии независимо друг от друга.

Анализ результатов выбора вариантов показал, что наиболее оптимальными вариантами при работе солнечных батарей являются установки 2, 3 и

4. Установка 4 является оптимальной при использовании ветряных турбин. Установки 2 и 4 эффективны при рассмотрении мощности дизельного генератора. Во всех рассмотренных случаях установка со смешанным соединением является лучшим вариантом. Поэтому смешанная установка является наиболее предпочтительным вариантом с точки зрения энергоэффективности при использовании любого из источников энергии.

Литература

1. Соловьёв С.А., Петрова Г.В., Чиндяскин В.И. Состояние и перспективы развития малой энергетики для сельских поселений Приволжского федерального округа // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2009. № 2 (22). С. 125-130.

2. Зеркалов Д.В. Энергетическая безопасность. Киев: Основа, 2012.

3. Чиндяскин В.И., Соловьёв С.А., Петрова Г.В. и др. Рекомендации и предложения по созданию устойчивых и экономически эффективных локальных систем электроснабжения сельских поселений от 100 до 500 дворов на основе комплексного использования альтернативных источников электроэнергии. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. С. 222.

4. Безруких П.П., Сокольский А.К. Гибридные системы гарантированного электроснабжения автономных потребителей // Топливно-энергетический комплекс. 2003. № 2. С. 99.

5. ARE-Alliance for Rural Electrification // Hybrid power systems based on renewable energies-A suitable and cost-competitive solution for rural electrification 2008.URL:http://ruralelec.org/ fileadmin/DATA/Documents/06_Publications/Position_papers/ ARE-WG_Technological_Solutions_-_Brochure_Hybrid_ Systems.pdf. (дата обращения 03.05.2012).