УДК 621.31 ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ОТДАЛЕННЫХ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ И ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ Теслин Денис Вячеславович Аннотация: Данное исследование посвящено проблеме, которая связана с электроснабжением потребителей небольшой установленной мощности, которые находятся на удалении от централизованных электрических сетей. Техническое присоединение таких потребителей, особенно, если они находятся в сельской местности и имеют сезонных характер работы, с экономической точки зрения крайне не эффективно, чрезмерно затратно, а в отдельных случаях и невозможно. В данной статье представлены расчетные значения солнечной и ветровой энергии, которая может быть использована для выработки электроэнергии в конкретном населённом пункте Баевского района Алтайского края. Ключевые слова: энергия, солнечная, энергия ветра, ВЭУ, электроэнергия, мощность, выработка, расчёт, солнечная радиация Основа продовольственной безопасности России - это сельские населенные пункты, которые являются центром агропромышленного комплекса (АПК) нашей страны. В связи с этим необходимо постоянное стабильное развитие АПК, а для этого нужно увеличить качество и надежность, экономическую выгодность поставляемой электроэнергии для сельскохозяйственного производства и коммунально-бытового использования на селе. Всё это послужит важным фактором повышения эффективности сельхозпроизводства и повышения качества жизни для населения. Отдаленные потребители представляют собой малые сельские населенные пункты, либо отдаленные объекты, как производственные, так и жилые дома, а также прочие отдельно стоящие объекты. Несмотря на развитость современной энергосистемы, сегодня проблема обеспечения надежной и качественной энергией отдаленных потребителей, ещё пока остаётся актуальной. Потенциал использования НИЭ (нетрадиционные источники энергии) в том, что они основаны на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Возобновляемые источники энергии - это источники энергии, образующиеся на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества. Это означает, что на процесс преобразования в электроэнергию, не требуется тратить органическое топливо, т.е. дается возможность сэкономить, и в дальнейшем пустить сэкономленные ресурсы на другие нужды. Также стоит учесть тот факт, что НИЭ не загрязняют атмосферу как это делают, например, тепловые электростанции, работающие на угле. Уже сегодня, в отдельных случаях, НИЭ, при наличии необходимых климатических условий, вполне способны полностью заменить традиционные источники энергии. В данной научной статье представлены расчеты значений солнечной и ветровой энергии, с перспективой её использования для выработки электроэнергии в селе Прослауха Баевского района Алтайского края. Для описания ВИЭ и в дальнейшем грамотном их использовании, потребуется провести исследования кадастровых характеристик в достаточно большом временном промежутке. Поэтому, в данном исследовании были предоставлены расчётные значения на основе детермированных значений за период в 1 год. Солнечная энергия. Чтобы описать солнечный источник энергии потребуется: расчет склонения солнца - δ и продолжительности солнечного сияния в течение суток Тс в точке А с географическими координатами Баевского района с. Прослаухи (φ, ψ) в рассматриваемые сутки года [1]. В результате расчётов получены следующие суточные нормы потока солнечной радиации на каждый месяц среднего дня. Суточная норма потока солнечной радиации среднего дня в январе для указанных географических координат равна: Rh = P/S, где P – мощность (Вт), S – площадь (м2). Результат суточной нормы потока солнечной радиации среднего дня в январе произведен и указан в таблице 1. Таблица 1 – Суточная норма потока солнечной радиации в январе
График изменяемости потока солнечной радиации среднего дня месяца Эh в течении года предоставлен на рисунке 1. Рисунок 1 - График изменяемости потока солнечной радиации среднего дня месяца Эh в течении года Произведём расчёт генерации солнечной электроустановкой. Солнечная электростанция (СЭС) – инженерное сооружение, преобразующее солнечную радиацию в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции [2]. Для генерации электроэнергии была выбранная солнечная электроустановка SilaSolar мощностью 200 Вт. Далее, производим расчёт сгенерированной солнечной электростанцией электроэнергии для среднего дня каждого месяца. В результате получаем данные суточной выработки электроэнергии для первого (таблице 2) и второго (таблице 3) полугодий. Таблица 2 – Электроэнергия, полученная для среднего дня месяца, Вт⋅сут.
Таблица 3 – Электроэнергия, полученная для среднего дня месяца, Вт⋅сут.
Расчёт сгенерированной солнечной электростанцией электроэнергии для каждого месяца, за первое и второе полугодия представлены в таблице 4 и таблице 5 соответственно. Таблица 4 – Электроэнергия, полученная для каждого месяца в первом полугодии, кВт⋅мес.
Таблица 5 – Электроэнергия, полученная для каждого месяца во втором полугодии, кВт⋅мес.
Итого, значение расчета годовой выработки Pгод электроэнергии составляет 548,53 кВт⋅год. График выработки электроэнергии СЭС мощностью 200 Вт представлен на рисунке 2. Рисунок 2 – Выработка энергии СЭС по сезонам в течении года Ветровая энергия. Для описания ресурса энергии ветра, потребуется определить следующие данные: а) средняя скорость ветра: сутки, месяц, год; б) вертикальный профиль средней скорости ветра; в) повторяемость скоростей; г) порядок периодов затишья ветра и порывов ветра; д) удельная мощность и удельная энергия ветра [3]. Средняя скорость ветра определяется как среднеарифметическое значение, полученное в результате измерений скорости через равные промежутки времени в течение заданного периода. где Vi – скорость ветра в интервале измерений; n – количество интервалов измерений. Расчетные значения средней скорости ветра за сутки определялись в течении года, за каждый месяц. Производились 4 замера в течении суток, результаты сводились в таблицу. Таким образом были получены значения средней скорости ветра по месяцам (таблица 6). Таблица 6 – Средняя скорость ветра по месяцам в течении года
Средняя скорость ветра в течении года – 4,0 м/с. Вертикальный профиль средней скорости ветра - это зависимость скорости ветра от высоты. Для упрощения расчетов используется коэффициент возрастания (таблица 7). Таблица 7 – Коэффициент возрастания скорости ветра от высоты
Если посмотреть на коэффициент возрастания, то можно увидеть, что при высоте 10-20 метров скорость ветра практически не увеличивается. Поэтому, в данном конкретном случае параметры вертикального профиля скорости ветра можно не учитывать, так как ВЭУ (ветроэнергетическая установка) малой мощности строятся на высоте 10-14 метров. Повторяемость различных градаций скорости ветра можно рассматривать как процент времени, в течение которого наблюдалась та или иная градация скорости ветра. Эта характеристика важна для расчета энергетических и других параметров, необходимых для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ВЭУ при различных скоростях ветра (таблица 8). Таблица 8 – Повторяемость (%) различных градаций скорости ветра
Удельная мощность и удельная энергия ветра – основные параметры энергии ветра. Удельная энергия ветра: где Nуд – удельная мощность ветрового потока; Vi – скорость ветра; t(vi) – фактическая вероятность скорости ветра; 8760 – число часов в году. Расчет удельной мощности производится по формуле
где p – плотность воздуха при нормальных условиях равная 1,226 кг/м3; Nуд – удельная мощность ветрового потока; Vi – скорость ветра. Расчеты удельной энергии для условий с. Прослауха Баевского района Алтайского края предоставлены в таблице 9. Таблица 9 – Удельная энергия ветра
После исследования кадастровых характеристик возобновляемых источников энергии, выбирается ВЭУ для генерации с соответствующими параметрами. В данном случае для генерации была выбранная ветровая электроустановка ВЭУ-2000/3,4 [4]. Основные характеристики ВЭУ представлены в таблице 10. Таблица 10 – Характеристики ВЭУ-2000/3,4
Мощность ВЭУ: PВЭУ = 0,3925 ⋅ Ср ⋅ ρ ⋅ D2 ⋅ vi3 ⋅ ηМех ⋅ ηГен ⋅ 10-3, где Ср – коэффициент мощности для 3-х лопастного ветроколеса; ρ – плотность воздуха; D – диаметр ветроколеса; vi – скорость ветра; ηМех – КПД редуктора; ηГен – КПД генератора. Выработка электроэнергии ВЭУ определяется следующей формулой:
Эi Вэу = Pi Вэу ⋅ t(vi) ⋅ Tмес, где Pi Вэу – мощность ВЭУ при i-ой скорости; t(vi) – время i-ой скорости действующей на установку; Тмес – число часов в месяце; Эi Вэу – выработка электроэнергии ВЭУ. Зависимость выработки мощности ВЭУ от скорости ветра предоставлена в таблице 11. Таблица 11 – Мощность ВЭУ в зависимости от скорости ветра
После расчета мощности ВЭУ, производим расчёты выработки электроэнергии за каждый месяц. В результате, получаем значение выработанной ВЭУ электроэнергии в течение года:
где Эгод – выработка электроэнергии ВЭУ в течение года; Эмесi – выработка электроэнергии ВЭУ в течение определенного месяца. Проведённые исследования позволяют сделать вывод о том, что НИЭ способны замещать традиционные источники энергии. Наиболее эффективным является совместное использование СЭС и ВЭУ, так как максимум солнечной энергии приходится на летние месяцы, а максимум энергии ветра – на зимний период. Т.е., эти энергоустановки дополняют нехватку выработки энергии в зависимости от времени года, делая график выработки более равномерным. Список используемой литературы 1. Солнечная радиация и её составляющие. Базы данных Гидрометеоцентра – URL: https://climate-energy.ru/weather/spravochnik/ss/climate_sprav_ss_3605201846.php (дата обращения:10.09.2022). 2. Говорушко С. М. Солнечная энергетика и ее экологические проблемы // АЭЭ. 2011. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnaya-energetika-i-ee-ekologicheskie-problemy (дата обращения: 17.09.2022). 3. Скорость ветра и статистика, Алтайский край Барнаул. – URL: https://climate-energy.ru/weather/spravochnik/wdsp/climate_sprav-wdsp_2983801651.php (дата обращения: 17.09.2022). 4. Ветрогенератор ВЭУ – 2000/3,4 – URL: https://rusveter.ru/sistems/vetryaki/tryohlopastnoj-vetrogenerator-veu-2000-3 (дата обращения: 18.09.2022). Информация об авторах Теслин Д. В. – студент группы 8Э(3)-11, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул. - |