Автономные ветроэлектростанции

Автономные ветроэлектростанции

  • Февраль 20, 2019
  • Posted By admin

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.

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(vР, NB, NA) min (10.27) где: NB — мощность ветроэнергетической установки; NA — 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. 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:

ЕB = ЕP + ЕА, (10.28)

где: ЕP — потребляемая энергия, кВт.ч; ЕA — энергия, запасаемая в аккумуляторе, кВт. ЕB — энергия, вырабатываемая ВУ, кВт.ч.

В этом случае баланс мощности должен быть следующим:

NB = NP + NA (10.29)

Учитывая, что мощность аккумулятора должна удовлетворять условию NA = NP tA / tB A, получаем: (10.30) где: tЭ, tA – 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: (10.31) Здесь ηВЭС – к.п.д. ветроэлектростанции, учитывающий и коэффициент использования энергии ветра. В уравнении (10.31) случайными величинами являются tА и tЭ, 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.

Приняв реальное допущение, что стоимость ветроэнергетической установки (включая инвертор) пропорциональна площади, ометаемой ветроколесом, а стоимость аккумуляторов пропорциональна их емкости, можно записать: (10.32) где: kB — удельная стоимость ВУ, руб/м2; kA — удельная стоимость аккумулятора, руб/А.ч; EA — энергия, которая требуется для зарядки аккумулятора, Вт.ч; UH — номинальное для потребителя напряжение, В. Учитывая выше приведенные зависимости, стоимость энергоустановки в функции рабочей скорости ветра определится следующим образом: (10.33)

Функция (10.33) определяет стоимость системы автономного электроснабжения на основе ветроустановки в зависимости от ее параметров и от мощности электроприемников, и представляет собой развернутое выражение целевой функции. Реализация целевой функции для условий Ростовской области показала, что оптимальная рабочая скорость равна 5,5 м/с. Анализируя формулу целевой функции (10.33), можно заметить, что стоимость автономной системы электроснабжения на базе ветроэнергетической установки пропорциональна среднесуточной мощности электрической нагрузки, но при этом оптимальная рабочая скорость ветроэнергетической установки не зависит от мощности нагрузки.

Автономная ветроэлектростанция и топливная электростанция При совместном использовании ветроэнергетической установки с автономной топливной электростанцией первая используется как разгрузочный источник энергии. Вероятность энергообеспечения при этом очень высокая (приблизительно равна вероятности энергообеспечения при сетевом электроснабжении) и ограничивается только техническим состоянием преобразователей энергии. Целесообразность применения ветроэнергетической установки для разгрузки топливной электростанции определяется экономией топлива.

Однако, при этом неизбежны дополнительные затраты на сооружение ветроэнергетической установки. Общие затраты на создание автономной системы электроснабжения (которые являются критерием оптимальности) при этом будут иметь следующие составляющие: S = SВУ + SЭС + SТ (10.34) где: SВУ – стоимость ветроэнергетической установки, руб; SЭС – стоимость топливной электростанции, руб; SТ – стоимость топлива, руб. Так как стоимость топлива пропорциональна сроку эксплуатации автономной системы электроснабжения, то затраты необходимо учитывать за весь срок ее службы (10 лет). Стоимость топливной электростанции зависит только от нагрузки и не изменяется в зависимости от стоимости ветроэнергетической установки и топлива. Это позволяет исключить последнее слагаемое из дальнейшего анализа.

В этом случае целевую функцию можно представить в следующем виде: S = SВУ + SТ → min (10.35) Стоимость топлива определяется через среднюю нагрузку по форму-ле: (10.36) где: kТ – цена топлива, руб/кг; t – время работы электростанции, час; m – теплотворная способность топлива, кВт.ч/кг; ηЭС – к.п.д. электростанции. С учетом этого, целевая функция при принятом критерии оптимальности приобретает следующий вид: (10.37) При ограничении 0.65FηВУ vj3 ≤ NH (10.38) Следует отметить, что цена топлива и удельная стоимость ветроэнергетической установки увеличиваются с течением времени, то есть, необходимо учитывать возможную инфляцию. При десятилетнем расчетном периоде эксплуатации автономной системы электроснабжения цена топлива уточняется следующим образом: kТt = kТ (1 + а) t (10.39)

На рисунке 10.7 в качестве примера показан график изменения целевой функции для климатических условий Ростовской области. При этом принято: kBУ = 1,0 тыс. руб/м2, kТ = 15 руб/кг. Как видно из приведенного рисунка, рабочая скорость ветра имеет оптимальные значения, которые определяют оптимальные размеры ветроколеса (ометаемую площадь). На рисунке 10.8 показан график целевой функции в зависимости от рабочей скорости ветра для среднесуточной нагрузки 500 Вт. Расчет рабочей скорости ветра для других значений среднесуточной нагрузки показал, что она остается низменной. Рисунок 10.7.

Реализация целевой функции оптимизации параметров автономного энергетического комплекса на основе ВУ и топливной электростанции Рисунок 10.8. Сечение поверхности, отображающей целевую функцию при ометаемой площади 1,5 м2 Как следует из приведенных графиков, наиболее эффективно применять для дублирования и разгрузки топливной автономной электростанции ветроэнергетическую установку, рассчитанную на рабочую скорость 11 – 12 м/с. Этот результат несколько превышает известные рекомендации по выбору рабочей скорости ветроустановки системной электростанции.

Это можно объяснить тем, что при работе ветроустановок параллельно с централизованной системой электроснабжения они располагаются в разных климатических зонах и взаимно компенсируют недостаток энергии ветра. Размеры ветроэнергетической установки при этом определяются по известным формулам.