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:

= 345,69+171,96+257,65+195,74+154,25+131,34+91,32+ 120,79+204,82+265,03+237,43+180,59= 2356,64 кВт⋅год,

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.

-