Метод расчета кпд схем комбинированных установок на основе виэ

Появление большого количества схем соединения энергогенерирующих устройств на основе ВИЭ, создает необходимость поиска наиболее эффективного соединительного типа. Любой из существующих вариантов комбинирования ресурсов ВИЭ с дизельными генераторами и аккумуляторными батареями возможен, но будет иметь различный КПД. Различные факторы могут быть приняты во внимание при выборе комбинированного соединения. Географическое положение (ветрено, солнечно и т.д.), вид источника энергии, тип соединения, характер нагрузки (большее потребление в дневное или ночное время, либо одинаковое), эффективность силовых устройств, преобразующих энергию и т.д. Для нахождения наиболее подходящих технологических решений применения комбинированной системы нужен анализ каждого компонента в отдельности и системы в целом. Произведем расчет и выбор оптимального типа соединения энергогенерирующих устройств на основе ВИЭ [7]:

1. Комбинированное соединение с шиной переменного тока AC;

2. Комбинированное соединение с шиной постоянного тока DC;

3. Комбинированное смешанное соединение AC/DC.

Каждый тип соединения был рассмотрен с расчётом эффективности потребляемой мощности от каждого источника питания, непосредственно или через аккумуляторную батарею, для сравнения различных вариантов комбинированных схем электроснабжения и повышения эффективности, предлагаются методы расчета.

При анализе всех соединений были учтены потери при преобразовании электрической энергии, связанные с мощностью электрических устройств и аккумуляторными батареями.

Предлагаются коэффициенты, мощности получаемые от солнечных батарей, ветряных турбин и дизельных генераторов соответственно, могут быть использованы как напрямую так и частично через батарею. Если является непосредственно частью потребляемой мощности напрямую к потребителю без использования батареи, то является оставшейся частью мощности от всех энергетических ресурсов, потребляемой из батареи. Эффективность преобразования энергии электронных устройствах и устройств хранения энергии обозначена с индексом для преобразования тока из переменного в постоянный (DC/AC), индексом для преобразования постоянного в переменный (AC/DC), индексы и , соответственно для контроллера заряда и батареи.

В таблице 1, автором предложена совокупность уравнений (математическая модель) для расчёта эффективности потребления энергии от трех источников энергии в зависимости от подключения напрямую или через батарею при смешанном соединении AC/DC (тип 3).

Таблица 1 - Уравнения для расчёта КПД смешанного соединения AC/DC

Ресурс	Напрямую	С батареи	Итого
Ветротурбина
Солнечная б.
Дизель-ген.

Анализ расчёта КПД показывает, что когда вся энергия ветра используется напрямую то достигается равный КПД, таким образом в ветреных районах могут быть использованы соединения 1 и 3. Если вся мощность от ветровых турбин используется после того, как она была аккумулирована, то все соединения за исключением 1 будут эффективны. При потребление энергии как напрямую, так и от батареи соединение 3 является наилучшим выбором при условии, что используется только энергия ветра.

Когда энергия от солнечных батарей идет напрямую, КПД соединения 1 на 3% выше по сравнению с другими соединениями. В солнечных местах с основным потреблением энергии в дневное время (более 85%) предпочтительнее будет соединение 1. При использовании солнечной энергии накопленной в аккумуляторных батареях, соединения 2 и 3 дают такие же показатели эффективности использования энергии как и соединение 1, при условии что не более 85 процентов солнечной энергии будет использоваться напрямую. Как правило, солнечная энергия доступна в дневное время и зависит от погоды и времени. Большая часть солнечного ресурса будет недоступна в ночное время и аккумулирование энергии будет необходимо. Следовательно соединение 1 будет является неэффективно.

Мощность дизельного генератора используется в качестве резервной, она может быть использована как напрямую так и за счёт её аккумулирования в батареях. Если мощность потребляется непосредственно от дизельного генератора, подключенного напрямую к шине переменного тока, то все типы соединений дают одинокого высокий КПД, за исключением соединения 2, в котором используется выпрямитель и инвертор. Для генератора при потреблении мощности через аккумуляторную батарею нужны AC/DC, DC/AC преобразователи, что несёт за собой потерю мощности. Когда вся мощность генератора идёт через батарею, то соединения 2 и 3 имеют более высокие показатели эффективности по сравнению с централизованным соединением переменного тока 1. При любом способе потребления мощности генератора (прямой или через батарею) соединение 3 обладает более высокими показателями эффективности по сравнению с другими типами соединений. Расчёты соединений показывают зависимость эффективности потребления энергии от процессов преобразования, а так же от циклов зарядки-разрядки.

Анализ результатов выбора вариантов показал, что наиболее оптимальными вариантами при работе солнечных батарей являются соединения 2 и 3. Соединение 3 является оптимальным при использовании ветровых турбин. Соединение 3 эффективно при рассмотрении мощности дизельного генератора. Во всех рассмотренных случаях, соединение со смешанным соединением 3 является предпочтительным вариантом с точки зрения энергоэффективности при использовании любого из источников энергии.

Таким образом, проведенные исследования позволяют произвести выбор оптимальной схемы соединения для дальнейшего использования и показывают, что для эффективного комплексного электроснабжения потребителя необходимо применять предложенные методы расчета комбинированного соединения. При этом рассматривать разные источники энергии независимо друг от друга.

Разработка математической модели совокупной стоимости комбинированной установки на основе возобновляемых источников энергии для условий Российской Федерации

Высокая стоимость оборудования является основным препятствием использования ВИЭ, что обуславливает необходимость поиска оптимальной конфигурации системы при минимальных затратах. В работе решается задача разработки нового подхода, позволяющего обеспечить высокое качество решения задач, нахождения общей стоимости комбинированных установок малой и средней мощности на основе ВИЭ.

По данным [10], общая годовая стоимость компонентов комбинированной установки на основе ВИЭ рассчитывается следующим образом:

(1)

где: - годовая стоимость капитальных вложений, - годовая стоимость замены компонентов, - годовая стоимость эксплуатации.

Из уравнения 1, используя аддитивный закон суммирования затрат, автором выведена математическая модель расчёта общей годовой стоимости комбинированной установки на основе ВИЭ, состоящей из ветротурбины, солнечной батареи, дизельного генератора, аккумуляторной батареи, централизованной электрической сети, следующим образом:

(2)

где: - количество ветротурбин (шт); - вложения в покупку ветротурбин ($/год); - стоимость замены ветротурбин ($/год); - стоимость эксплуатации ветротурбин ($/год); - количество солнечных батарей (шт); - вложения в покупку солнечных батарей ($/год); - стоимость замены солнечных батарей ($/год); - стоимость эксплуатации солнечных батарей ($/год); - количество дизельных генераторов (шт); - вложения в покупку дизельного генератора ($/год); - стоимость замены дизельного генератора ($/год); - стоимость эксплуатации дизельного генератора ($/год); - стоимость топлива для дизельного генератора ($/год); - количество аккумуляторных батарей (шт); - вложения в покупку аккумуляторных батарей ($/год); - стоимость замены аккумуляторных батарей ($/год); - стоимость эксплуатации аккумуляторных батарей ($/год); - стоимость доставки (завоза) топлива ($/год); - стоимость хранения топлива ($/год); - стоимость доставки оборудования ($/год); - суммарный налог на выбросы вредных веществ (плата за негативное воздействие на окружающую среду, для Российской Федерации) ($/год); - капитальные вложения в строительство линии электропередач (ЛЭП) за 1 км. ($/км/год); - стоимость эксплуатации ЛЭП ($/км/год); - стоимость подключения к сети, в случае наличия ЛЭП ($/год); - стоимость потребляемой энергии от ЛЭП ($/кВт·ч/год); - стоимость продажи электроэнергии, выработанной от ВИЭ, в централизованную электрическую сеть (в случае принятия в Российской Федерации соответствующих законов), ($/кВт·ч/год).

При отсутствии любого из компонентов математической модели коэффициент, связанный с ним, обнуляется.

Учёт коэффициента особенно актуален при завозе топлива в отдаленные районы Российской Федерации, например Севера, что значительно влияет на общую стоимость комбинированных установок, рассчитывается в виде:

(3)

где: - цена перевозки одной единицы объема от поставщика к потребителю ($);

- объем перевозки (куб.ед.).

Коэффициент применяется при доставке оборудования в отдаленные районы, либо при доставке отсутствующего оборудования из других стран или регионов, например из Китая. Коэффициент рассчитывается следующим образом:

(4)

где: - цена доставки одной единицы массы по Китаю ($); - цена доставки одной единицы массы по России ($); - масса перевозки (ед.).

Таким образом, разработана математическая модель общей стоимости комбинированной установки на основе ВИЭ. Математическая модель отличается близостью к реальным условиям (адекватностью) и простотой, что обеспечивает возможность и удобство использования модели по её прямому назначению. Модель в отличие от уравнения 1, является более точной за счёт учёта ряда новых коэффициентов суммарной стоимости и адаптации, существующих для условий Российской Федерации. Данная математическая модель может быть взята за основу написания ПО для расчёта стоимости комбинированных электроустановок.