Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

достигнув полуденного положения, будет иметь меньший угол

солнцестояния.

Плотность солнечного излучения, поступающего на солнечный

коллектор, определяется по формуле /6/:

S

К

= [S

Пi

cos

i

cos(

С i

- ) sin + S

Гi

cos] (10.9)

где: S

К

- суммарная за год плотность солнечного излучения на

коллектор с параметрами ориентации γ и β, Вт/м

2

;

S

Пi

- плотность солнечного излучения на перпендикулярную к

нему площадку за i-тый промежуток времени, Вт/м

2

;



i

- средний угол солнца над горизонтом в i-тый период времени,

град;



Сi

- средний азимут солнца за i-тый период времени, град.

Метеорологические станции имеют наиболее полную информацию о

плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность. Выразим

S

П

через S

Г

:

sinα

S

Г

П



(10.10)

Тогда (10.9) будет иметь вид:

S

К

= S

Гi

[ctg

i

cos(

Сi

- ) sin + cos]

(10.11)

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

160

Как следует из (10.11), суммарная годовая плотность солнечного

излучения на фиксированный коллектор зависит от двух параметров,  и .

Оптимальное значение угла  определяется из равенства:

0

dγ

dS

K



, при  = const  0 (10.12)

Проведя дифференцирование, получаем:

 

γ)sin(γctgαS...γ)sin(γctgαSsinβ

dγ

dS

CmmГm1C11Г

K



(10.13)

Воспользуемся тригонометрическим тождеством

sin(γ

Ci

– γ) = sinγ

Ci

cosγ - cosγ

Ci

sin γ (10.14)

Обозначив A

i

= S

Гi

ctgα

i

, разделив (10.13) на sinβ ≠ 0 и с учетом (10.14),

получаем:

0sinγcosγAcosγsinγAsinγcosγAcosγsinγA

CmmCmm1C11C1



(10.15)

Cmm2C21C1

cosγA...cosγAcosγA

sinγA...sinγAsinγA

tgγ





(10.16)

Или, проведя обратную подстановку, окончательно получаем:





CiiГi

Cii

Гi

cosγctgαS

sinγctgαS

tgγ

(10.17)

Как следует из (10.17), оптимальный азимутный угол ориентации

солнечного коллектора не зависит от угла его наклона к горизонту.

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

161





CiiГi

Cii

Гi

ОПТ

cosγctgαS

sinγctgαS

arctg

(10.18)

Оптимальный угол  определяется при γ = γ

ОПТ

из условия:

0

dβ

dS

К



(10.19)

Выполнив дифференцирование, получаем:









 0Ssinβ)γcos(γctgαScosβ

dβ

dS

ГiОПТCiiГi

К

(10.20)









Гi

ОПТCiiГi

S

)γcos(γctgαS

tgβ

; (10.21)









Гi

ОПТCiiГi

S

)γcos(γctgαS

arctg

опт

β

(10.22)

Анализируя (10.22), замечаем, что оптимальный угол наклона

солнечного коллектора к горизонту зависит от его азимутального угла 

ОПТ

.

Отсюда последовательность оптимизации параметров ориентации

солнечного коллектора должна быть следующей:

 вычисляется оптимальный азимутальный угол солнечного

коллектора по формуле (10.18);

 вычисляется оптимальный угол наклона солнечного коллектора по

формуле (10.22) при фиксированном оптимальном азимутальном

угле.

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

162

В таблице 10.3 в качестве примера приведены расчетные и

рекомендуемые на территории Ростовской области параметры ориентации

фиксированных батарей фотоэлектрических преобразователей.

Таблица 10.3

Параметры ориентации

фиксированной батареи фотоэлектрических преобразователей

Месяц Азимутальный угол,

град.

Угол наклона к

горизонту, град.

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

– 0,3

– 1,3

– 18,5

– 16,4

– 11,7

– 14,3

– 15,6

– 20,7

– 5,6

– 8,5

– 17,6

70,4

62,9

51,8

40,6

31,1

27,2

28,4

35,7

47,3

57,8

67,5

71,8

10.4. Системные

ветроэлектростанции

Системные ветроэлектростанции являются разгрузочными

источниками энергии в централизованной сети электроснабжения. В

соответствии с назначением, системные электростанции не нуждаются в

аккумуляторах энергии, так как работают (разгружают традиционные

электростанции) только тогда, когда имеется ветер достаточной

мощности. В связи с этим системные электростанции рассчитываются по

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

163

максимальной выработке электроэнергии за год в конкретном

климатическом регионе.

Исходным расчетным параметром, определяющим мощность

системной ветроэлектростанции, является рабочая скорость ветра.

Заметим, что конкретная ветроустановка не может иметь один и тот же

коэффициент использования энергии ветра при разных скоростях, так

как ее аэродинамические параметры рассчитываются на определенную

рабочую скорость ветра, являющейся номинальной. При увеличении

скорости ветра больше рабочей, мощность, снимаемая с ветроколеса,

остается постоянной. Таким образом, не смотря на увеличение мощности

ветрового потока при увеличении его скорости, мощность

ветроэлектростанции не увеличивается.

В любой климатической зоне имеются ветра с различной

скоростью, включая и штиль. Каждая климатическая зона имеет

характерный для нее ветровой кадастр, определяющий вероятность

скорости ветра. Время действия ветра с определенной скоростью на

основании данных ветрового кадастра можно определить следующим

образом.

t

V

= v·T·p(v)

(10.23)

где t

V

– время действия ветра со скоростью v, час;

T – число часов в году, час. Т = 8760 часов;

p(v) – вероятность ветра со скоростью v.

Если принять, что текущее значение скорости ветра является

значением рабочей скорости, то энергия, передаваемая ветроколесом,

равна:

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

164

)vv(PTСFv

2

E

PBKBK

3

PBK







(10.24)

где ρ – плотность воздуха в ветровом потоке, кг/м

3

. Принимают ρ =

0,65 кг/м

3

;

v

Р

– текущее значение рабочей скорости ветра, м/с;

Р(v ≥ v

Р

) – вероятность того, что скорость ветра будет не

меньше рабочей;

F

ВК

– ометаемая площадь ветроколеса, м

2

;

С

ВК

– коэффициент использования энергии ветра ветроколесом

в номинальном режиме.

Вероятность того, что скорость ветра будет не меньше текущего

значения рабочей скорости, равна сумме вероятностей скоростей ветра

равных и больше рабочей:





j

jP

)v(p)vv(P

при v

j

≥ v

Р

(10.25)

Р(v ≥ v

Р

) = 0 при v

j

< v

Р

Расчет по формуле (10.24) с учетом (10.25) показывает, что

максимальное значение передаваемой энергии будет у ветроколеса,

рассчитанного на скорость ветра v

Р

= 1,5v

СР

, где v

СР

– среднее значение

скорости ветра для данной климатической зоны. При этом ветроустановка в

течение примерно 3000 часов в году будет выдавать номинальную мощность,

и в течение 1500 часов 50% номинальной мощности.

Зная рабочую скорость ветра, мощность системной

ветроэлектростанции можно определить по формуле:

N

ВЭС

= 0,65 v

P

3

F

BK

C

BK

η

ВК

η

СГ

(10.26)

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

165

где η

ВК

– к.п.д. ветроколеса;

η

СГ

– к.п.д. синхронного генератора.

Практически задаются желаемой мощностью ветроэлектростанции и

рассчитывают ометаемую площадь ветроколеса и его диаметр. В заключении

отметим, что ветроустановки мощностью более 100 кВт экономически

эффективнее выполнять многоагрегатными, в которой мощность отдельной

ветроустановки (агрегата) составляет 30 – 50 кВт.

10.5. Автономные

ветроэлектростанции

Автономная ветроэлектростанция с аккумуляторным резервом

Для удаленных объектов наиболее приемлемы системы

автономного электроснабжения, в том числе и автономные

ветроэлектростанции. Практически выбор того или иного варианта

электроснабжения на основе ветроэнергетической установки происходит

следующим образом. Потребитель при равной надежности

электроснабжения выбирает более дешевый вариант, а при равной

стоимости электроэнергии – более надежный вариант.

Учитывая, что реальная надежность традиционного

электроснабжения достаточно высокая (около единицы), то решающим

фактором при выборе варианта электроснабжения будет стоимость

электроэнергии. Так как вырабатываемая электроэнергия определяется

потребителем и не зависит от варианта системы электроснабжения,

автономная ветроэлектростанция будет иметь тем большую

конкурентоспособность, чем ниже будет ее стоимость.

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

166

На основании изложенного, в качестве критерия оптимальности

параметров автономной ветроэлектростанции целесообразно принять ее

стоимость.

Автономная ветроэлектростанция на основе пропеллерной

ветроустановки будет определена, если будут известны следующие

параметры:

 рабочая скорость ветра, на которую рассчитана ветроустановка;

 мощность ветроэнергетической установки;

 емкость или мощность аккумуляторов.

В этой связи, целевая функция должна иметь вид /6, 7/:

S = f(v

Р

, N

B

, N

A

)  min (10.27)

где: N

B

- мощность ветроэнергетической установки;

N

A

- мощность аккумуляторов.

Особенностью автономного электроснабжения на основе

использования энергии ветра является неуправляемость потоками

поступающей энергии. В силу этого ветроэлектростанция, работающая в

изолированном режиме, не всегда может выдавать энергию в соответствии с

графиком потребления, то есть, в соответствии со спросом на

электроэнергию. При этом в любой интервал времени возможны следующие

ситуации:

 поступающая энергия ветра (с учетом потерь на преобразование)

превышает потребность в ней;

 поступающая энергия ветра равна потребности в ней;

 поступающей энергии ветра недостаточно для удовлетворения

потребности в ней.

Для приведения в соответствие графиков поступления и потребления

энергии применяется аккумулирование энергии или резервирование.

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

167

Очевидно, для достижения поставленной цели, поступающей от

ветроэнергетической установки энергии должно быть достаточно для

полного удовлетворения потребностей в ней. В этом случае, должно

выполняться граничное условие:

Е

B

= Е

P

+ Е

А

, (10.28)

где: Е

P

- потребляемая энергия, кВт.ч;

Е

A

- энергия, запасаемая в аккумуляторе, кВт.

Е

B

- энергия, вырабатываемая ВУ, кВт.ч.

В этом случае баланс мощности должен быть следующим:

N

B

= N

P

+ N

A

(10.29)

Учитывая, что мощность аккумулятора должна удовлетворять

условию N

A

= N

P

t

A /

t

B



A

, получаем:















Э

A

APB

t

1NN

(10.30)

где: t

Э

, t

A

– время работы ветроэнергетической установки и

аккумулятора соответственно, ч.



A

– к.п.д. аккумулятора, о.е.

Мощность ветроустановки функционально зависит от рабочей

скорости ветра. Следовательно, будет иметь место следующее

предельное равенство:

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

168

ВЭС

3

P

AЭ

A

P

v65,0

t

1

NF







(10.31)

Здесь η

ВЭС

– к.п.д. ветроэлектростанции, учитывающий и

коэффициент использования энергии ветра.

В уравнении (10.31) случайными величинами являются t

А

и t

Э

,

которые зависят от скорости ветра по определению и могут наступать с

различными вероятностями. Графики изменения этих величин и

уравнения, описывающие их зависимость от скорости ветра, приведены

в /6, 7/.

Приняв реальное допущение, что стоимость ветроэнергетической

установки (включая инвертор) пропорциональна площади, ометаемой

ветроколесом, а стоимость аккумуляторов пропорциональна их емкости,

можно записать:

H

A

ABB

U

E

kFkS 

(10.32)

где: k

B

- удельная стоимость ВУ, руб/м

2

;

k

A

- удельная стоимость аккумулятора, руб/А.ч;

E

A

- энергия, которая требуется для зарядки аккумулятора,

Вт.ч;

U

H

- номинальное для потребителя напряжение, В.

Учитывая выше приведенные зависимости, стоимость

энергоустановки в функции рабочей скорости ветра определится

следующим образом /6/:

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

169

Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.