Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение
Подождите немного. Документ загружается.
случайной мощности при минимальных затратах, при ограничении –
электроснабжение на основе солнечной электростанции должно быть не
менее надежно, чем традиционное.
Суточное электропотребление какого-либо абстрактного объекта
можно представить графиком (рисунок 10.1).
Для удовлетворения потребности в электроэнергии можно либо
использовать источник электроэнергии мощностью, обеспечивающей
суточное энергопотребление (если позволяет график нагрузки), либо
использовать источник меньшей мощности, но с аккумулированием энергии
в периоды провала нагрузки и с отдачей аккумулированной энергии в часы
пиковой нагрузки. Так как стоимость аккумуляторов априорно меньше
стоимости фотоэлектрических преобразователей, и солнечное излучение
отсутствует в ночные часы, то второй вариант в соответствии с поставленной
задачей будет предпочтительнее.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Часы суток
Мощность, кВт
Рисунок 10.1 График нагрузки абстрактного
объекта электропотребления
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
150
Если мощность источника энергии постоянна, то, при
аккумулировании энергии в периоды провалов, генерируемую мощность
можно выбрать из условия /6, 7/:
∑(N
Г
– N
Пj
) t
1j
η
A
= ∑( N
Пi
– N
Г
) t
2i
(10.1)
где: N
Г
– генерируемая мощность, кВт;
N
1j
– мощность потребителя в j-тый период, меньшая, чем
генерируемая мощность, кВт;
N
2i
– мощность потребителя в i-тый период, большая,
генерируемая мощность, кВт;
t
1j
– продолжительность j-того периода, час;
t
2i
– продолжительность i-того периода, час;
η
A
– к.п.д. аккумулятора энергии.
В уравнении (10.1) левая часть представляет собой избыточную
энергию, которая может быть аккумулирована. К.п.д. аккумулятора
учитывает, что в последующем в пиковую нагрузку можно выдать только
часть аккумулированной энергии.
Уравнение (10.1) является трансцендентным и его следует решать
графически относительно генерируемой мощности. На рисунке 10.2 показан
пример такого решения для приведенной абстрактной нагрузки для летних
месяцев при η
A
= 0,7 и среднегодовом поступлении солнечной энергии в этот
период на территории Ростовской области.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
151
1
2
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Мощность источника, кВт
Энергия, кВт.ч
Рисунок 10.2. Графическое решение уравнения (10.1)
1 – левая часть, 2 – правая часть
В приведенном примере минимальная мощность источника энергии
должна быть равной 0,32 кВт.
Для удовлетворения ограничения целевой функции необходимо
учитывать особенность поступления солнечной энергии, которая определяет
мощность электроэнергии, генерируемой фотоэлектрическими
преобразователями при случайной интенсивности солнечного излучения. С
учетом этого вероятностью энергообеспечения будет вероятность того, что
энергии солнечного излучения будет достаточно для удовлетворения
потребностей в получаемой электроэнергии. Минимальное значение
мощности батареи фотоэлектрических преобразователей при этом можно
определить из равенства /6, 7/:
∑(N
Фj
– N
1j
) t
1j
η
A
= ∑( N
2i
– N
Фi
) t
2i
(10.2)
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
152
где: N
Фj
– мощность батареи фотоэлектрических преобразователей в j-
тый период, превышающая мощность потребителя в этот же
период, кВт;
N
Фi
– мощность батареи фотоэлектрических преобразователей в i-
тый период, меньшая мощности потребителя в этот же
период, кВт.
Учитывая, что мощность фотоэлектрического преобразователя
определяется из условия
N
Ф
= N
С
F
Ф
η
Ф
(10.3)
уравнение (10.2) можно записать в следующем виде:
∑(N
Сj
F
Ф
η
Ф
– N
1j
) t
1j
η
A
= ∑(N
2i
– N
Сi
F
Ф
η
Ф
) t
2i
(10.4)
Здесь: N
Сj
– удельная мощность солнечного излучения в j-тый период,
кВт/м
2
;
F
Ф
– площадь батареи фотоэлектрических преобразователей, м
2
;
η
Ф
– к.п.д. батареи фотоэлектрических преобразователей.
Уравнение (10.4) относительно площади батареи фотоэлектрических
преобразователей также решается графически. На рисунке 10.3 показан
пример такого решения для прежней нагрузки при следящей системе батареи
фотоэлектрических преобразователей без концентраторов. Полученная в
результате этого площадь батареи фотоэлектрических преобразователей
равна 58м
2
, что обеспечивает вероятность энергообеспечения не менее 0,9.
Как видно с увеличением вероятности энергообеспечения площадь батареи
фотоэлектрических преобразователей растет.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
153
1
2
3
4
5
6
7
20 30 40 50 60 70 80
Площадь батареи ФЭП, м
2
Энергия, кВт.ч
Рисунок 10.3. Решение уравнения (10.4)
при вероятности энергообеспечения 0,9
1 – левая часть, 2 – правая часть
Как видно из рисунка 10.3 мощность ФЭП несколько выше мощности
топливной электростанции (см. рисунок 10.2). Это объясняется тем, что в
утренние и вечерние часы фотоэлектрические преобразователи не могут
обеспечить номинальную мощность. Определенная таким образом площадь
батареи фотоэлектрических преобразователей будет достаточной для зарядки
аккумуляторов и питания нагрузки с заданной вероятностью
энергообеспечения в течение расчетного периода. То есть, расчетная
площадь фотоэлектрических преобразователей способна в летнее время
обеспечить заданную нагрузку в течение 1990 часов, что составляет 0,9 от
расчетного периода. В остальное время (220 часов) нагрузка будет
удовлетворяться не менее чем на 50%. Емкость аккумуляторов при этом
можно определить из соотношения /6, 7/:
H
i2ФФCii2
A
U
t)FNN(
C
(10.5)
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
154
где С
А
– емкость аккумуляторной батареи, А.ч.;
U
Н
– номинальное напряжение потребителя, В.
Таким образом, для данного примера (при вероятности
энергообеспечения 0,9) площадь фотоэлектрических преобразователей
должна быть 60 м
2
, а емкость батареи аккумуляторов (при напряжении
потребителей U
Н
= 220 В) 20 А.ч, или общая емкость аккумуляторов 380 А.ч.
10.2. Методика массовых
расчетов автономных солнечных электростанций
В процессе инженерных расчетов определяются оптимальные
параметры автономных энергетических комплексов, приводящие к их
наиболее высокой конкурентоспособности. Для проведения расчетов
параметров автономных солнечных электростанций для массовых заказчиков
желательно иметь инженерные методы, позволяющие получать искомые
оптимальные параметры более простыми способами без поиска экстремумов
целевых функций. В основе таких расчетов могут быть различные
эмпирические функции (например, функции уравнений линейной регрессии),
графики и таблицы, описывающие зависимости оптимальных параметров от
влияющих факторов. Получить такие зависимости можно путем описания
движения оптимального параметра в области изменения влияющих на него
факторов.
В таблице 10.1 приведены оптимальные параметры автономной
системы электроснабжения удаленных объектов на основе использования
энергии солнечного излучения, а на рисунках 10.4 и 10.5 приведены графики
этих параметров в зависимости от средней потребляемой мощности
электроприемников и требуемой надежности электроснабжения /6, 7/.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
155
Таблица 10.1
Расчетные параметры автономного энергетического комплекса
сезонно работающих объектов
Средняя
нагрузка
объекта, Вт
Площадь ФЭП (м
2
)
при вероятности
энергообеспечения:
Емкость аккумуляторной
батареи (А.ч) при вероятности
энергообеспечения
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
200
250
300
350
400
22,3
28,0
33,0
38,5
43,5
26,0
32,5
38,5
44,7
51,0
29,0
35,8
42,5
49,3
56,7
31,2
38,3
46,0
53,5
61,0
35,5
44,5
53,0
62,0
71,0
190
240
275
310
330
190
230
260
285
330
190
225
250
285
340
185
215
250
295
340
170
225
270
310
355
Для проведения расчетов можно пользоваться уравнениями регрессии
F = 0,066х
1
+ 596х
2
+ 0,168х
1
х
2
– 0,0002х
1
2
– 894х
2
2
+
+ 1,9Е-07х
1
3
+ 435х
2
3
– 131 (10.6)
С
А
= 0,449х
1
– 370х
2
+ 0,786х
1
х
2
– 0,0013х
1
2
– 216х
2
2
+
+ 1,9Е-06х
1
3
+ 288х
2
3
+ 303 (10.7)
Здесь: х
1
– среднесуточная нагрузка, Вт;
х
2
– заданная вероятность энергообеспечения.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
156
200 Вт
250 Вт
300 Вт
350 Вт
400 Вт
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Надежность энергообеспечения
Площадь ФЭП, м
2
Рисунок 10.4. Размеры батареи фотоэлектрических преобразователей
в зависимости от нагрузки и надежности энергообеспечения
200 Вт
250 Вт
300 Вт
350 Вт
400 Вт
150
200
250
300
350
400
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Надежность энергообеспечения
Емкость аккумуляторов, А.ч
Рисунок 10.5. Емкость аккумуляторных батарей в зависимости от нагрузки и
надежности энергообеспечения
В случае применения концентраторов солнечного излучения и систем
слежения площадь батарей фотоэлектрических преобразователей
уменьшается и определяется по формуле:
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
157
F
УТ
= k
УТ
F (10.8)
где F
УТ
– уточненное значение площади батарей фотоэлектрических
преобразователей, м
2
;
F – площадь батареи фотоэлектрических преобразователей по
формуле (5.10), м
2
;
k
УТ
– коэффициент уточнения.
Значения коэффициентов уточнения площади батарей
фотоэлектрических преобразователей приведены в таблице 10.2 /6/.
Таблица 10.2
Значения коэффициентов уточнения
Вариант Коэффициент
уточнения
1. Система точного слежения без концентраторов
2. Параболические концентраторы с периодическим
слежением и коэффициентом концентрации:
до 3;
3 – 5;
больше 5.
3. Концентраторы первого порядка с системой
точного слежения и коэффициентом
концентрации:
до 3;
больше 3.
0,75
0,65
0,55
0,50
0,65
0,55
10.3. Мероприятия по повышению эффективности
автономных солнечных электростанций
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
158
Интенсивность солнечного излучения зависит от взаимной
ориентации Солнца и солнечного коллектора (рисунок 10.6). На рисунке
10.6 азимутальный угол Солнца равен нулю, то есть Солнце по
отношению к наблюдателю, находящемуся в северном полушарии,
расположено строго на юге.
Рисунок 10.6. Параметры ориентации
солнечного коллектора в северном полушарии Земли
α – угол солнцестояния, β – угол наклона коллектора, γ – азимутальный
угол коллектора, γ
С
– азимутальный угол Солнца.
Очевидно, значительного увеличения поступления энергии солнечного
излучения на фотоприемник можно достичь путем оптимальной ориентации
батареи фотоэлектрических преобразователей. При этом следует учитывать,
что прозрачность атмосферы, определяющая интенсивность прямого
солнечного излучения, изменяется в течение суток и года. Так, например, на
территории Ростовской области по статистике в первой половине светового
дня атмосфера более прозрачна, а во второй половине дня появляется
облачность. На основании этого можно предположить, что фиксированные
преобразователи должны иметь отрицательный азимутальный угол, то есть,
должны быть повернуты в сторону востока на какой-то угол. Изменение
азимутального угла повлечет и изменение угла наклона, так как Солнце, не
γ
β
N
S
α
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
159