Оценка ресурсов ВИЭ и их практическое использование для условий Венесуэлы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат наук Контрерас Виельма Марисабель

• Контрерас Виельма Марисабель
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Контрерас Виельма Марисабель

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВИЭ В ВЕНЕСУЭЛЕ

1.1 Состояние электроэнергетического комплекса и развитие гидроэнергетики

1.2 Особенности развития других видов возобновляемой энергии

1.3 Природно-климатические и ресурсно-энергетические характеристики Венесуэлы

1.4 Современные технологии использования солнечных и ветровых энергоустановок для децентрализованного энергоснабжения

1.5 Системы энергоснабжения на основе ВИЭ для децентрализованных потребителей

1.6 Цели и задачи диссертации

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА СОЛНЕЧНЫХ И ВЕТРОВЫХ РЕСУРСОВ НА ТЕРРИТОРИИ ВЕНЕСУЭЛЫ33

2.1 Анализ энергетических ресурсов ВИЭ Венесуэлы

2.3 Оценка ветроэнергетического потенциала Венесуэлы

2.4 Методики определения солнечного энергетического потенциала

2.5 Создание атласа ветроэнергетического потенциала в Венесуэле

2.6 Создание атласа солнечного энергетического потенциала в Венесуэле

2.7 Определение почасовых рядов данных прихода солнечной и ветровой энергии для решения задач моделирования и обоснования параметров энергокомплексов на ВИЭ

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИЭ

3.1 Классификация и обоснование оптимальных структурных схем для Венесуэлы

3.2 Обзор методов и программных обеспечений для расчетов оптимальных параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения

3.3 Разработка методики расчета параметров, режимов работы и выбора оптимального варианта автономного энергокомплекса на основе ВИЭ

3.4 Разработка математической модели расчета параметров, режимов работы энергокомплекса на основе ВИЭ

3.5 Разработка методики оптимизации эффективности проекта энергокомплекса на основе ВИЭ

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТИПОВОЙ СИСТЕМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИЭ ДЛЯ ОБЩИНЫ КЕРЕПАРЕ

4.1 Исходная информация об объекте внедрения

4.2 Оборудование энергокомплекса на основе ВИЭ

4.3 Имитационные моделирование параметров и режимов работы энергокомплексов на базе ВИЭ в программе МЛТЬЛБ

4.4 Оценка экономической эффективности для выбора оптимальной автономной схемы электрификации общины Керепаре

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка ресурсов ВИЭ и их практическое использование для условий Венесуэлы»

ВВЕДЕНИЕ

В связи с непрерывным ростом энергозатрат, повышением стоимости и дефицитом органического топлива и отрицательным влиянием на окружающую среду и здоровье человека электростанций на органическом топливе в последние годы значительно вырос интерес к возобновляемым источникам энергии. Это связано с их большой ролью в производстве электрической энергии в мире (особенно в развитых и развивающихся странах), а также с экологичностью и отсутствием затрат на добычу первичных энергоресурсов. В Боливарианской Республике Венесуэла развитие электроэнергетики на основе возобновляемых источников энергии происходит более медленными темпами за исключением крупной гидроэнергетики, которая обеспечивает около 70% от производства всей электрической энергии в стране. Одним из самых крупных в мире является гидроэнергетический комплекс ГЭС Гури (Гури- это комплекс, состоящий из трех ГЭС, поэтому его не стоит называть ГЕС Гури), расположенных на реке Карони в штате Боливар на юго-востоке страны. Одной из трех ГЭС является гидроэлектростанция Симон Боливар (установленная мощность 10.000 MBТ, производство электрической энергии около 57.000 ГВт-ч/год). Эта гидроэлектростанция занимает третье место среди электростанций, построенных в мире.

В последнее десятилетие Боливарианское правительство посредством Национальной электрической корпорации (CORPOELEC) и Фонда электрического развития (FUNDELEC) проводит энергетическую политику развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В рамках правового обеспечения по возобновляемым ресурсам действует национальный проект «Симон Боливар» - первый социалистический план, направленный на экономическое и социальное развитие нации, в котором говорится о стратегиях развития Венесуэлы как энергетической державы, особенно о развитии возобновляемых источников энергии. В рамках реализации и внедрения политики развития возобновляемых источников энергии в последние годы в стране были установлены 3163 автономные системы: фотоэлектрические системы для систем очистки воды, системы опреснения и орошения, энергокомплексы на основе ВИЭ, для электроснабжения общин, школ, больниц, домов, военных постов, общественных и других мест.

Ими воспользовались более 257 тысяч человек в 1023 индейских общинах, коммунах, находящихся на границе и в районах далеких от электрических сетей. Для рекреационных зон Венесуэлы также начали использовать возобновляемые источники энергии. Актуальность работы

Целью Венесуэлы к 2019 году является генерация 613 МВт дополнительной электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, 500 МВт из которой - ветровая электроэнергия. Концепция развития систем энергоснабжения на основе ВИЭ в данных регионах

регламентируется законодательством и различными национальными проектами. Решение проблем покрытия наблюдающегося дефицита электроэнергии в децентрализованных населенных пунктах, в настоящее время является приоритетной задачей для улучшения социально-экономического развития регионов. Использование энергии только одного вида возобновляемого источника не позволит обеспечить оптимальное покрытие графика нагрузки локального потребителя из-за непостоянства прихода первичного ресурса ВИЭ. Поэтому имеется необходимость рассматривать комбинированное использование энергоустановок на основе ВИЭ. Такой подход увеличит эффективность электроснабжения изолированных потребителей, позволит снизить стоимость аккумулирующих устройств; повысит надежность электроснабжения потребителя и сократит капитальные вложения всей системы в целом.

До настоящего времени в стране отсутствуют систематические исследования по оценке потенциала ВИЭ Венесуэлы и, прежде всего, солнечной и ветровой энергии. Поэтому одной из актуальных задач является оценка валового и технического потенциала ветровой и солнечной энергии для всей территории страны с определением регионов, наиболее благоприятных для использования ресурсов ВИЭ. Также весьма актуальной является задача разработки методик для строительства на перспективных площадках энергокомплексов на ВИЭ, удовлетворяющих потребностям в электроснабжении автономных общин. Цель диссертационной работы

Целью работы является оценка технического потенциала ресурсов ВИЭ на территории Венесуэлы и разработка методики обоснования параметров автономной системы электроснабжения на их основе.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• Выполнена оценка современного состояния энергетики Венесуэлы и определены масштабы внедрения объектов на основе ВИЭ.

• Разработана методика оценки ресурсов ветровой и солнечной энергии в Венесуэле для районирования территории по уровню ресурсного обеспечения.

• Определены валовый и технический потенциалы ветровой и солнечной энергии в Венесуэле.

• Созданы атласы солнечных и ветровых ресурсов Венесуэлы и выявлены территории, перспективные для использования ВИЭ.

• Выполнены анализ и классификация автономных систем электроснабжения и оборудования на основе солнечной и ветровой энергии для различных видов потребителей в Венесуэле.

• Разработаны модели элементов энергокомплекса на основе ВИЭ в среде МАТЬАВ.

• Разработана методика оптимизации параметров системы электроснабжения на основе ВИЭ для условий Венесуэлы на основе минимизации удельных дисконтированных затрат на производство электроэнергии (LCOE - Levelized Cost of Energy).

• Проведена апробация методики на примере создания типовой системы индивидуального электроснабжения на основе ВИЭ для общины Керепаре, которая находится на северо-востоке Венесуэлы.

Научная новизна

1. На основе анализа климато-географических условий Венесуэлы разработана методика оценки валовых и технических ресурсов ветровой и солнечной энергии для всей территории Венесуэлы.

2. Впервые созданы атласы солнечных и ветровых ресурсов для территории Венесуэлы.

3. Разработаны математические модели адаптированного для Венесуэлы оборудования на основе ВИЭ в среде MATLAB и методика для расчета параметров и режимов работы систем автономного энергоснабжения.

4. Выполнена оценка эффективности типового энергокомплекса на базе солнечных фотоэлектрических и ветроэнергетических установок по критерию минимизации LCOE. Основные положения, выносимые на защиту

1. Оценка природно-климатических характеристик для расчёта энергетического потенциала солнечных и ветровых ресурсов на территории Венесуэлы.

2. Атлас солнечных и ветровых ресурсов для территории Венесуэлы.

3. Методика и математические модели обоснования параметров и режимов работы энергокомплекса на основе ВИЭ для автономного потребителя, в условиях Венесуэлы.

4. Результаты оценки эффективности использования энергокомплекса на базе ВИЭ для обеспечения электроэнергией типового автономного сельского потребителя Венесуэлы на примере общины (Керепаре).

Практическая значимость

Результаты диссертационного исследования позволяют получать информацию по ветроэнергетическим и солнечным ресурсам в интересующей точке территории Венесуэлы с использованием созданного атласа ресурсов ВИЭ. Разработанная методика проектирования автономных систем электроснабжения для типовой системы индивидуального энергоснабжения использована компанией CORPOELEC при разработке планов развития электроэнергетики на основе ВИЭ (приложение 1). Апробация и внедрение результатов

Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ и SCOPUS:

1. Контрерас М.В. Методика оценки ресурсов ВИЭ Венесуэлы// Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2014. № 11 (151). С. 56-61.

2. Елистратов В.В., Контрерас М.В. Technical evaluation of the wind resource in Venezuela// ARPN Journal of engineering and applied sciences. - 2016.- Vols. 11.- Pp. 4399-4403.

Доклады в сборниках трудов конференций, индексируемых РИНЦ:

1. Victor Vasilevich Elistratov and Marisabel Contreras. Evaluacion tecnica del recurso eolico en Venezuela// XII World wind energy conference renewable energy exhibition. Havana. Cuba.2013.

2. Елистратов В.В., Контрерас М. Расчет параметров солнечных фотоэлектрических установок с использованием программы PVSOL // В сборнике: Возобновляемая энергетика. Пути повышения энергетической и экономической эффективности REENFOR - 2014 М., С. 160162.

3. Контрерас В.М., Елистратов В.В., Кудряшева И.Г. Методические подходы к оценке эффективности энергокомплексов на ВИЭ в Венесуэле// V Международная конференция «Возобновляемая энергетика: Проблемы и Перспективы», г. Махачкала 2017 г.

4. Контрерас М., Елистратов В.В. Развитие электроэнергетики в Венесуэле //В сборнике: XLI неделя науки СПбПУ Материалы научно-практической конференции с международным участием. СПБ; изд. Политехнического университета 2012. С. 98-100.

5. Контрерас М.В. Использование программного обеспечения PVSOL expert для проектирования фотоэлектрических систем // Сборник докладов молодежной научно-практической конференции в рамках Недели науки СПбПУ. СПБ, изд. Политехнического университета 2014. С. 15-17.

6. Елистратов В.В., Контрерас М. Оценка ветрового потенциала Венесуэлы для проектирования ВЭС // В сборнике: XLII Неделя науки СПбПУ. СПБ, изд. Политехнического университета 2014. С. 17-20.

7. Контрерас М.В. Обоснование критериев оптимизации состава оборудования в энергокомплексах на основе ВИЭ для условий Венесуэлы // В сборнике: XLIII Неделя науки СПбПУ. СПБ, изд. Политехнического университета 2015. С. 216-218.

Диссертационная работа выполнена в рамках договора об оказании образовательных услуг в области новых энергетических технологии между Российской Федерацией и Боливарианской Респуубликой Венесуэла от 2010 года при поддержке компании КОРПОЭЛЕК.

Исследования выполнены в научно-образовательном центре «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» СПБПУ П в рамках проекта ФЦП Минобрнауки «Разработка методов и интеллектуальных технологий автономного энергоснабжения га основе традиционных и возобновляемых источников энергии».

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за помощь и конструктивные советы при выполнении диссертационной работы: академику РАН Ю.С. Васильеву, д.т.н., профессору В.В. Елистратову, к.т.н., доценту И.Г. Кудряшевой, д.т.н., профессору Г.И. Сидоренко, к.т.н. М.А. Конищеву и С. А. Федорову.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВИЭ В ВЕНЕСУЭЛЕ

1.1 Состояние электроэнергетического комплекса и развитие гидроэнергетики

В настоящее время электроэнергетика в Венесуэле находится в процессе развития. Она ориентирована, в основном, на увеличение производства энергии, расширение системы передачи и распределения электроэнергии, а также на увеличение использования возобновляемых источников энергии. B секторе генерации энергии работают гидроэлектростанции, теплоэлектростанции и дизель-генераторные установки. Распределение генерирующих мощностей по территории Венесуэлы представлено на рис. 1.1. Эти электростанции предназначены для удовлетворения растущего спроса на энергию. Гидроэлектростанции как источники возобновляемой энергии обеспечивают более 70% энергии, потребляемой в стране [1,2]. В таблице 1.1 приведен список существующих гидроэлектростанций, их установленная мощность, количество агрегатов, а также типы турбин и генераторов. Одним из крупнейших считается Комплекс ГЭС Гури, состоящий из трех гидроэлектростанций, расположенных на реке Карони в штате Боливар на юго-востоке страны.

Комплекс Гури обеспечивает производство 95,8% гидроэнергии в Венесуэле. Этот комплекс считается сердцем генерации электроэнергии в Венесуэле. Однако расположение ГЭС на юго-востоке страны приводит к трудностям в передаче электроэнергии в западные регионы Венесуэлы из-за больших расстояний. Комплекс ГЭС Гури включает гидроэлектростанцию Симон Боливар (установленная мощность 10.000 МВт, производство электрической энергии 56.843 ГВт-ч). Эта гидроэлектростанция занимает третье место среди электростанций, установленных по всему миру. На ГЭС Симон Боливар имеется водохранилище, которое находится на высоте 272 метра над уровнем моря [3,4].

Общая установленная мощность всех электрических станций в Венесуэле составляет 25 456,56 МВт и распределяется следующим образом: 15.526,66 МВт - на ГЭС, и 9.929,9 МВт - на тепловых электростанциях. В 2011 году производство электрической энергии составило 121 491 ГВт-ч, из них теплоэнергетический сектор - 38 340,6 ГВт-ч (31,6%) и гидроэнергетический сектор - 83.150,4 ГВт-ч (68,4%). В 2011 году комплекс ГЭС Гури обеспечил производство электроэнергии в объеме 81.082 ГВт-ч, что составляет 66,7% от общего производства электроэнергии в 2011 году [2].

Рисунок 1.1- Распределение генерирующих мощностей по территории Венесуэлы

Таблица 1.1- Гидроэлектростанции Венесуэлы

Кол-

Название ГЭС Река Установленная мощность (МВт) Тип турбины во агрег атов в м.з Тип генератора

С. Боливар Карони 9770,00 РО турб. 10 Синхронный

а а Макагуа 1 Карони 356,00 РО турб. 6 Синхронный

Ч С 2 о а Макагуа 2 Карони 2376,00 РО турб. 12 Синхронный

Макагуа 3 Карони 172,00 ПЛ турб. 2 Синхронный

Каруачи Карони 2196,00 ПЛ турб. 10 Синхронный

Сан Агатон Урибанте 300,00 Ко.вая 2 Синхронный

Пеньяс Ларгас Санто Доминго 80,00 ПЛ турб. 2 Синхронный

Хосе А. Родригес Санто Доминго 252,00 РО турб. 4 Синхронный

Маспарро Маспарро 24,66 РО турб. 2 Синхронный

Общая мощность 15526,66

Передача электрической энергии в Венесуэле осуществляется по линиям электропередачи длиной 28000 км. При этом имеются различные уровни напряжения: от 69 кВ до 765 кВ. На 90

подстанциях установлены трансформаторы мощностью 72000 МВА. Три из четырех электрических линий мощностью 765 кВ относятся к ГЭС Симон Боливар. Энергосистема Венесуэлы имеет схему соединений линейного типа за исключением соединительного кольца в центральном регионе на севере страны [5].

Также в энергосистеме Венесуэлы существуют линии электропередач 400 кВ и 230 кВ, которые связывают основные электростанции (ТЭЦ, ГЭС) и потребителей в разных регионах страны. На рисунке 1.2 показана схема энергосистемы Венесуэлы.

Рисунок 1.2- Схема энергосистемы Венесуэлы Распределение электрической энергии в Венесуэле проходит по линиям длиной 10 000 км линий и напряжением 34,5 кВ и по линиям 51 254 км длиной и напряжением 13,8 кВ. Благодаря национальной электрической сети удовлетворяется спрос населения на энергию в различных секторах. Жилой сектор является крупнейшим потребителем электроэнергии (35%) в Венесуэле [4,5].

Однако электроэнергетическая сеть Венесуэлы имеет структуру, при которой значительная часть страны, особенно ее южная часть, остается не охваченной распределительными сетями, поэтому там наблюдается дефицит электроэнергии. В 2014 году количество городских общин, которые не имеют электричества составляет 12906 общин. Таблица 1.2 показывает количество городских общин, которые не имеют электричества [6,7].

Город Количество общин

Амасонас 550

Анзоатеги 840

Апире 1.057

Арагуа 174

Баринас 939

Боливар 1.479

Карабобо 171

Дистрито капитал 0

Кохедес 257

Делта амакуро 516

Фалькон 898

Гуарико 1.622

Лара 761

Мерида 255

Миранда 361

Монагас 326

Нуева эспарта 18

Португеса 451

Сукре 497

Тачира 143

Трухижо 349

Варгас 38

Жаракуй 560

Зуля 644

Итого 12906

1.2 Особенности развития других видов возобновляемой энергии.

В настоящее время управление электроэнергетической системой Венесуэлы предусматривает разделение на организации, занимающиеся генерацией, транспортировкой и электроснабжением потребителей. Другие источники возобновляемой энергии, кроме большой гидроэнергетики играют большую роль в производстве электрической энергии по всему миру, в особенности в развитых странах. Эта роль преимущественно обусловлена своим низким воздействием на окружающую природу, а также низкими затратами на производство первичной энергии. Также влияют такие факторы, как истощение запасов ископаемого топлива, возникшего в результате возросшего неконтролируемого спроса на энергию в мире. Данная тенденция повышает энергетическую уязвимость тех стран, которые не обладают ресурсами ископаемого топлива, но в такой ситуации энергетический сектор напрямую зависит от самих стран [8].

Несмотря на то, что Венесуэла обладает большими запасами возобновляемых ресурсов различных типов, до прошедшего десятилетия единственным используемым возобновляемым ресурсом была гидроэнергия, что связано с её большим потенциалом, а также высокой эффективностью. Это можно увидеть на электроустановках, которые используют воду в качестве первичного источника. До настоящего времени системы использования возобновляемых энергетических ресурсов, установленные в Венесуэле, основывались на мировом опыте, что в большинстве случаев дает положительный эффект, потому что развитые страны обладают хорошими технологиями в этой сфере. Однако установленные в Венесуэле

автономные комплексы, использующие солнечную и ветровую энергию, были спроектированы без учета всех климатических характеристик Венесуэлы, а также энергетического потенциала каждой зоны. Иными словами, данные системы не были адаптированы под особенности страны, что в конечном итоге влияет на их эффективность и рентабельность [9].

Тем не менее развитие возобновляемой энергии как основного источника для производства электричества является одним из ключевых решений в качестве ответа на энергетический вызов, с которым встретилась страна. Однако развитие этого направления в настоящее время ограничено из-за различных препятствий, среди которых можно отметить следующие:

• отсутствие качественной и экономической оценки потенциала страны в сфере возобновляемых источников энергии;

• дефицит измерений климатических данных;

• недостаточная связь между университетами и государством, препятствующая скорейшему внедрению результатов исследований в производство в сфере возобновляемых энергий;

• недостаточная осведомленность о необходимости защиты окружающей среды.

Несмотря на все выше описанные препятствия, очень важным знаком является то, что в

последнее десятилетие боливарианское правительство посредством Национальной электрической корпорации (CORPOELEC) и Фонда электрического развития (FUNDELEC) начало проводить энергетическую политику развития возобновляемых ресурсов страны [10]. Данная политика развития в первую очередь реализуется путем издания правительственных указов, направленных на использование возобновляемых источников энергии и эффективную энергетику.

В рамках правового обеспечения по возобновляемым ресурсам действуют следующие законы и национальные проекты:

• Закон об окружающей среде, в статьях 10 и 11 которого говорится следующее: «целью устанавливается управление окружающей средой, продвижение использования «чистых» технологий, снижение параметров загрязнения» [11].

• Закон об экологических электрических сервисах, в статье 21 которого говориться следующее: «Действия, направленные на повышение использования альтернативных источников энергии, возобновляемых и экологически безопасных» [12].

• Национальный проект «Симон Боливар», первый социалистический план, направленный на экономическое и социальное развитие нации, в котором говорится о стратегиях развития Венесуэлы как энергетической державы [8]. Цели и задачи плана приведены на рис. 1.3

Рисунок 1.3- Схема развития Венесуэлы как энергетической державы В рамках реализации и внедрения политики развития возобновляемых источников энергии, описанных ранее, в последние годы в стране были установлены 3163 автономные системы (таблица 1.3), классифицирующиеся следующим образом: фотоэлектрические -системы для электроснабжения, ФЭ-системы для очистки воды, опреснения и орошения, энергокомплексы на базе ВИЭ (рис. 1.4). Эти системы были разработаны для подачи электрической энергии в коммуны, школы, больницы, дома, столовые, военные посты, общественные и другие места. Ими воспользовались более 257512 человек в 1023 индейских общинах, коммунах, находящихся на границе и в районах, далеких от электрических сетей [6,7].

Таблица 1.3- Установленные системы, основывающиеся на использовании возобновляемых источников энергии

Год Число систем Установленная мощность (кВт)

2005 17 20,4

2006 71 85,2

2007 656 787,2

2008 212 251,8

2009 670 404,7

2010 690 372,86

2011 719 505,51

2012 128 183,20

Всего 3.163 2.610,87

Рисунок 1.4 - Классификация экологических систем энергетики и водоснабжения С другой стороны, ветровая энергия в Венесуэле представляет собой грандиозные возможности развития. Было установлено 9 мачт для измерения ветрового потока с возможностью развития проектов, которые позволяли бы увеличивать потребление энергии данного типа внутренним энергетическим сектором страны и таким образом помогать удовлетворять спрос на электроэнергию.

Также в процессе развития находятся 2 больших проекта ВЭС. Первым является ветровой парк Парагуана, в котором насчитывается 76 ветрогенераторов, каждый по 1,3 МВт, что в сумме дает порядка 100 МВт. В настоящее время были дополнительно установлены еще 23 ветрогенератора, но они пока на стадии испытаний и не подключены к сети. Второй проект -это ВЭС 600 МВт парк Гуахира, разделенный на 7 пусковых комплексов. Каждый ветрогенератор имеет мощность 2,1 МВт. В конце 2012 г. были установлены первые 6 ветрогенераторов, включенных в первый этап проекта. Всего проект предусматривает установку 12 ветрогенераторов общей мощностью в 25,2 МВт [1,4]. Таким образом общая мощность ВЭУ в 2014 году составила 24000 МВт.

В добавление к этому в таблице 1.4 и 1.5 представлены проекты автономного энергоснабжения на базе ВИЭ, а также планируемые к реализации проекты сетевых электростанций по проведенным технико - экономическим обоснованиям в период с 20132019гг.

Таблица 1.4 - Проекты, связанные национальной энергосистемой на период с 2013 по 2019 год

N° Проект Мощность (МВт) Расчетное время

1 Создание ветрового парка в Чакопата, штат Сукре 24 2013-2015

2 Создание ветрового парка в Арая, штат Сукре. 24 2017-2019

3 Создание солнечной установки в штате Монагас 10 2017-2019

4 Создание солнечной установки в штате Сукре 10 2017-2019

5 Создание солнечной установки в Арая штате Сукре 50 2013-2019

Всего 108

Таблица 1.5 - Автономные проекты на период 2013 -2019 гг

N° Проект Община Мощность (кВт)

1 Создание ветро-солнечной автономной системы для электрификации домов общины Пуэрто Виехо 300

2 Создание гибридных автономных систем охлаждения (ветро-солнечных) Мариуса 300

3 Создание установки Центральной гидротурбины для закачки питьевой воды Сан Фернандо де Атабапо 50

4 Создание гибридных автономных систем для электрификации домов (ветро-солнечных) Санта Исабель 150

5 Создание гибридных автономных систем для электрификации школы (ветро-солнечных) Керепарито 6

6 Создание гибридных автономных систем для электрификации больницы (ветро-солнечных) Пуэрто Виехо 12

7 Создание гибридных автономных систем для электрификации школы (ветро-солнечных) Пунта де Эваристо 7

8 Создание гибридных автономных систем для электрификации домов (ветро-солнечных) Чуао 25

9 Создание автономных солнечных систем для электрификации домов Эль Кабрито 15

10 Создание солнечной фотоэлектрической системы для электрификации 943 коммун на территории страны 943 коммун 29.486

11 Создание гибридной (ветро-солнечной) системы для электрификации 77 коммун на территории страны 77 коммун 3.700

Всего 34.051

Таким образом до 2019 года планируется ввод еще 108 МВт сетевых ВЭС и автономных ветро-солнечных установок общей мощностью 34051 кВт.

1.3 Природно-климатические и ресурсно-энергетические характеристики Венесуэлы.

Боливарианская Республика Венесуэла находится на севере Южно-Американского континента, с севера омывается Карибским морем, на юге граничит с Бразилией, на западе - с Гайаной, а на востоке - с Колумбией. Находясь севернее от линии экватора, территория Венесуэлы отличается разнообразным рельефом, почвой, гидрографией, флорой, фауной и климатом. В таблице 1.6 представлены основные физико-географические характеристики, благодаря которым видно, что Венесуэла обладает большим количеством возобновляемых природных ресурсов.

Таблица 1.6 - Физико-географические характеристики Венесуэлы

Площадь 1177445

12° 11' 46'' N

Географические координаты 73° 23' 0'' W

0° 38' 53'' N 59° 47' 30'' W

Население 28946101 жителей

Климатические зоны Сезон дождей Сезон засухи

Тропическая дождевая сельва (AF)

Тропический дождевой лес (AM)

Тропическая дождевая саванна (AW)

Климат Умеренно теплый с сухой зимой (CW)

(классификация по Кёппену [17]) Тундра (ЕТ)

Вечная мерзлота (БЕ)

Полузасушливый (ББ)

Сухой пустынный (BW)

Венесуэла является страной с большим количеством климатических зон, а это, в свою очередь, позволяет стране развивать неограниченное количество агрокультурных, туристических, энергетических и лесных инициатив. Поведение ряда климатических явлений, например, таких как солнечное излучение, световой день, инсоляция, испарение, температура, влажность воздуха, осадки, характерны для субтропической зоны, где находится страна. Все это вместе дает незначительные сезонные изменения в пределах от 10% до 20% [13].

Большая часть территории страны занята равнинами. Это обусловлено тем, что территория Венесуэлы находится на нескольких крупных платформах, различных по возрасту. Одна из них - это крупная древняя докембрийская платформа - Гвианское плоскогорье. На территории Венесуэлы выделяются три обширные геоморфологические структуры: древние щиты, горные цепи и осадочные углубления. Эти формирования образуют 9 больших типов рельефа: кордильеры, бассейн озера Маракайбо, дельта реки Ориноко, равнины, Гвианское нагорье, континентальная платформа (острова и прибрежные равнины), карибская горная система, долины и возвышенности [14]. При таком обилии и разнообразии форм рельефа, различий геологического строения и природно-климатических условий естественным представляется наличие большого спектра полезных ископаемых, представленных в стране.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Контрерас Виельма Марисабель, 2018 год

- - г

- J

Hjr

Рисунок 2.6 - Удельный ветроэнергетический потенциал территории Венесуэлы на высоте 55 м

Для моделирования оценки ВЭП в месте размещения ветроэлектрической установки необходимо иметь данные о часовых значениях скорости ветра (рис. 2.7.). В работе расчет суточного хода скорости ветра осуществлялся с учетом допущения о том, что ветроэнергетическая

установка располагается на открытой местности, для которой известны все особенности ветроэнергетического режима.

Рисунок 2.7 - Изменчивость ветра в течение четырех дней в январе Как видно из рисунка 2.6, ветровой потенциал, которым обладает Венесуэла варьируется от 1000 до 5500 кВт-ч/км2 на высоте в 55 метров при использовании ветрогенератора марки ОЛМЕБЛ модели ЛЕ61 с номинальной мощностью в 1,320 кВт класса I - Л.

2.6 Создание атласа солнечного энергетического потенциала в Венесуэле Огромное значение и ценность имеет детальное понимание местонахождения солнечной энергии, а также ее природы в экологических и экономических терминах, для разработки более эффективных проектов, направленных на эксплуатацию этого неисчерпаемого природного ресурса. Это, в свою очередь, поможет защитить окружающую среду, потому что солнце обеспечивает более 90% энергии, используемой на поверхности Земли во всех природных процессах. В Венесуэле, например, среднесуточная суммарная радиация составляет более 5 кВт/м2/день. Это значение указывает на то, что существуют хорошие возможности для выгодной эксплуатации этого природного ресурса в целях производства электроэнергии.

Солнечное излучение, падающее на поверхность земли, является мерой энергии солнечного света на квадратный метр (Вт/м2). Эта энергия используется для моделирования выходного сигнала фотоэлектрической солнечной системы для конкретного дня и определенного места. Однако, доходящее до земной поверхности солнечное излучение будет зависеть от толщины атмосферного слоя, который должны пересечь солнечные лучи до того, как они достигнут земной поверхности, а также от концентрации молекулярных компонентов и взвешенных частиц, которые будут встречаться на их пути. На основе реализации методов интерполяции солнечные уровни радиации

были оценены по данным, полученным из спутниковых изображений, обработанных с помощью методологии NASA - SSE (Surface Meteorology and Solar Energy). Результаты такого подхода представлены в виде солнечных атласов радиации (одна карта за каждый месяц, и еще одна годовая). Данные атласы отображают количество солнечной энергии на территории, а также предоставляют инструмент для оценки, которая необходима для эксплуатации или разработки этой энергии [74].

Целью данных атласа солнечной радиации является количественная оценка, а также графическое представление с достаточным пространственным разрешением, показывающим ежемесячную и годовую среднюю солнечную радиацию, попадающую на поверхность Венесуэлы. Таким образом, потенциал ежемесячной и ежегодной солнечной радиации был рассчитан на основе стандартных атмосферных условий (ясно, безоблачно) в виду недостаточного количества метеорологических станций и имеющихся записей об облачности и измерениях коротких промежутков времени - все это привело к представлению результатов, не учитывающих выше перечисленные факторы [75].

Анализ доступных

Данные климатических переменных, используемых при создании солнечного атласа описаны

ниже.

Базы данных метеорологические информации

NASA, используя свои научно-исследовательские проекты в области погоды, предоставило важные данные для изучения погоды и климатических процессов. Эти данные включают в себя долгосрочные оценки климатических переменных, таких как солнечную радиацию и энергетические потоки, которые и являются результатом анализа метеорологических данных из многих источников, включая отчеты о наземных станциях, спутниках, кораблях, самолетах, и других. Данные основаны на результатах более чем 20-летнего анализа, который включает в себя абсолютный рекорд климатических переменных, описывающие состояние атмосферы, климатические условия Земли и океана. Эта база данных оказалась достаточно точной, чтобы обеспечить солнечные данные в регионах, где измерения поверхности редки или вовсе отсутствуют, обеспечивая непрерывные данные в течение долгого времени [76,77].

База данных ESS была опубликована в 1997 году с целью обеспечения легкого доступа к параметрам, используемым в промышленности возобновляемых источников энергии, например, по отношению к солнечной энергии. Веб-сайт NASA разрешает скачивать данные месячной и годовой солнечной радиации любого места на Земле. В настоящее время указанный источник стал одним

из наиболее часто используемых, потому что получает данные из многочисленных наземных станций, охватывающих глобальные масштабы и длительный период времени. Однако база данных ограничивается потерями разрешения и подлинности в районах, где нет данных поверхности, в океанических районах или в областях, покрытых снегом. Разрешение базы данных представляет собой сетку из 0,5 градуса широты на 0,5 градуса долготы, которое было получено путем билинейной интерполяции.

Солнечные данные радиации были получены из спутниковых снимков NASA с помощью алгоритма коротких волн Pinker/Laszlo, данные об облачности взяты из базы International Satellite Cloud Climatology Project DX dataset (ISCCP) [78]. В этой работе была использована база солнечных климатических данных радиации, которые состоят из 340 точек, распределенных по всей территории страны. Данный подход позволяет покрывать почти 100% территории страны.

Оценка солнечной радиации, падающей на венесуэльскую территорию представлена в виде ежемесячных и ежегодных карт, показывающих среднюю величину солнечной радиации на горизонтальной плоскости с пространственным разрешением 0,5 х 0,5 градуса. В качестве основы для проведения оценки использовались ежемесячные спутниковые данные в течение 1984-2004 гг. В дальнейшем, для проверки результатов, сравниваются данные между спутниковыми снимками, полученными из NASA, и снимками с наземных станций [79].

Данные о прямой радиации на горизонтальной плоскости важны для развития солнечной энергетики, так как с помощью данной информации можно выбрать, например, наилучшие места для строительства центральной электростанции или узнать среднемесячные или/и сезонные изменения солнечной радиации, бывающие в различных регионах страны.

Эти данные сравниваются и подтверждается данными из 35 наземных станций венесуэльской военной авиации.

Методология создания атласа ресурсов солнечной энергии

Использование солнечной энергии в Венесуэле имеет большой потенциал развития: длина солнечного дня равна примерно от 11,4 до 12,6 часа. Минимальное значение достигается в декабре в день зимнего солнцестояния и максимальное значение - в июне в день летного солнцестояния. Часы сильного солнца, или инсоляции, варьируются от 5,5 до 9 часов в день, с экстремальными значениями до 12 часов в день. Большая часть значений инсоляции представлена в прибрежных зонах и наименьшая - на юге страны.

Спутниковые изображения позволили получить и среднемесячные среднегодовые разрешения солнечной радиации на каждые 0,5 градуса северной широты и 0,5 градуса западной

долготы. Учитывая, что Венесуэла находится между 59° - 73° з.д. и 0° - 12° с.ш., получается, что каждая из 340 точек, полученных из базы данных SSE, содержит среднее значение радиации для каждого конкретного места с учетом разрешения базы данных.

В данной работе описана методика построения атласа солнечной радиации в Венесуэле. После того как значения солнечной радиации, полученные со спутниковых снимков, были занесены в таблицу, стало возможным провести их интерполяцию используя программное обеспечение QGIS [80]. Использованный метод интерполяции, является триангуляционным методом (TIN) [81,82,83]. Данный способ позволяет моделировать солнечное излучение, которое попадает на поверхность посредством построения треугольников из известных точек (рис. 2.9). Для моделирования используется алгоритм Delaunay, который основывается на создании множества равносторонних треугольников (рис. 2.10).

Рисунок 2.8 - Методология создания атласа солнечной радиации Венесуэлы

(x,y,z)

(x,y,z)

(x,y,z)

Рисунок 2.9 - Структура треугольной интерполяции (TIN)

Рисунок 2.10 - Топология TIN, алгоритм Delaunay

Если рассматривать, что каждая из трех вершин треугольника имеет значения X, Y и Z, можно получить регрессионную модель Z= AX+BY+C, которая позволяет интерполировать переменную Z в любую точку прямоугольника. В своей основе треугольная интерполяция может равняться средневзвешенному интерполяционному методу из-за инверсии расстояния (IDW), которое приводит к тому, что результат всегда будет ограничен максимальным и минимальным значением Z на вершинах треугольника, что в свою очередь приведет к тому, что он будет ближе всего к ближайшей вершине [82,83].

Данный способ интерполяции приводит к тому, что значения могут оцениваться точными значениями, которые показывают значительные изменения внутри себя. Треугольная интерполяция (TIN) подходит для использования в картографических приложениях с большим масштабом, где важны расположение и форма элементов поверхности [84].

В данной модели изолинии создаются в процессе интерполяции прямых линий из каждого треугольника, который, в свою очередь, содержит какое-то значение в пределах кривой и в

последствии показывает, где кривая образует треугольник посредством линейной интерполяции между точками, которые составляют каждую из сторон. Каждый треугольник хранит топологическую информацию о своих соседях-треугольниках, образуя сетку. На картах, представленных в этой работе, энергия представляется в следующих единицах измерения: киловатт-час на м в год (кВт/м2/год). Благодаря использованию метода интерполяции были, получены среднемесячные и среднегодовые значения солнечного излучения. На рис. 2.11 показано распределение солнечной энергии в Венесуэле для всех 12 месяцев. Также можно получить данные о наиболее низком уровне радиации, получаемом в следующих месяцах: май, июнь, июль, август, сентябрь, октябрь и ноябрь, на которые как раз приходится сезон дождей. С другой стороны наиболее высокой уровень солнечного излучения отмечается в декабре, январе, феврале, марте и апреле, которые отвечают засушливому сезону.

Рисунок 2.11 - Атлас месячных значений распределения солнечной энергии в Венесуэле

С помощью ГИС с компьютерными картами, путём запросов можно взаимодействовать с анализируемой информацией. Географические элементы представляются в виде серий тематических слоёв, количество которых может быть весьма значимым, отображающих объекты реального мира для заданных территорий (экстентов). Так, можно просматривать слои дорог, рек, почв, растительности, населенных пунктов, строений, административных и иных границ, рельефа, спутниковых и другого рода снимков местности и т. д

Рисунок 2.12 - Послойное представление данных в ГИС

Для расчета солнечного технического потенциала использовать фотоэлектрические модули типа (А-160 АТЕКБА). Для оценки технического потенциала солнечных фотоэлектрических установок выполнен пересчет значений потенциала. На рисунке 2.13 приведена карта годовых удельных технических ресурсов солнечной энергии в виде удельной выработки электроэнергии СФЭУ с КПД=15% в Венесуэле. В предположении, что модули располагаются под углом = 0°, т.к. территория Венесуэлы расположена на значениях широты от 0° до 9°.

Рисунок 2.13 - Удельная годовая выработка электрической энергии плоской СФЭУ, кВт-ч/м2

(угол наклона равен широте места, кпд 15%)

Как видно из рисунка, максимальная выработка наблюдается на севере страны, в связи с тем, что в этой части находит побережье, которое характеризуется сухим климатом, со значениями 6 и 6,5 кВт.ч/м в день. Этому способствует высокий приход суммарной радиации не только в летний, но и в дождливые периоды, особенно в декабре-марте, когда имеет место сочетание большого прихода радиации и низкой температура воздуха, способствующие увеличению КПД

преобразования солнечной энергии в электрическую. На юго-востоке страны, напротив,

2 „ представлены низкие значения: между 4 и 4,5 кВт/ж в день. Это связано с тем, что в этой зоне

находятся Анды, которые характеризуются холодным климатом, высокой влажностью и высоким

уровнем над морем, что в свою очередь провоцирует высокую дисперсию солнечной энергии.

Площадь где возможно строиться СФЭС составляет 250000 м .

Территория Венесуэлы состоит из 9 регионов: Андский, Столичны, Центральный,

Центрально-западный, Гайанский, Островной, Льяноский, Северо-восточный, Сулианский (рис.

2.14).

Рисунок 2.14 - Региональное деление Венесуэлы

Технический солнечный и ветровой энергетический потенциалы, а также площадь каждого региона Венесуэлы представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Технический солнечный и ветровой энергетический потенциал по регионам

Венесуэлы

Регион Площадь, км2 Технический солнечный потенциал, ТВт^ч/год Технический ветровой потенциал, ТВт^ч/год

(1) Андский | 90 550 426 190

(2) Столичный | 9 880 62 39

(3) Центральный | 23 464 127 72

(4) Центрально-западный | 66 900 401 362

(5) Гайанский | 458 344 2338 Нет данных

(6) Островной | 1 411 9 8,4

(7) Льяноский | 142 900 772 300

(8) Северо-восточный | 84 030 479 403

(9) Сулианский | 63 100 366 265

Суммарно 940 579 4 980 1 639 (без Гайанского региона)

В этой таблице технический ветровой потенциал указан для высоты 55 м. Суммарный технический солнечный потенциал Венесуэлы составляет 4980 Твт-ч/год, а суммарный технический ветровой потенциал - 1639 Твт-ч/год (без учёта Гайанского региона из-за отсутствия метеостанций). Община Корепаре, на основе которой будут рассматриваться схемы

энергокомплексов на базе ВИЭ, находится в Северо-Восточном регионе. Из таблицы можно сделать вывод, что в этом регионе технический солнечный потенциал преобладает над техническим ветровым потенциалом на 76 ТВтч/год.

2.7 Определение почасовых рядов данных прихода солнечной и ветровой энергии для решения задач моделирования и обоснования параметров энергокомплексов на ВИЭ

Как было показано выше в пункте 2.5 данные повторного реанализа (North American Regional Reanalysis, NARR) являются наиболее репрезентативными для расчетов ветроэнергетических ресурсов Венесуэлы. Кроме горизонтальной скорости ветра (U) данные NARR содержат еще 310 метеорологических параметров, в том числе [85,86]: Для оценки выработки электроэнергии от ВЭУ

• температура воздуха (Air Temperature, K)

• вертикальный сдвиг скорости (Vertical Speed Shear, 1/s)

• растительность (vegetation, %)

Для оценки выработки электроэнергии ФЭМ:

• альбедо поверхности (Albedo, %)

• нисходящий поток коротковолнового излучения (Downward shortwave radiation flux, W/m2)

• температура воздуха (Air Temperature, K)

• суммарная облачность (Total cloud cover, %)

• суммарные осадки (Total precipitation, kg/m2)

Исходные данные NARR с шагом осреднение 3-ч доступны для скачивания на официальном сайте NOAA: Very High Resolution Reanalysis of the North American region including assimilated precipitation [87].

Для определения почасового ряда при моделировании энергокомпекса в конкретной точке. Исходные данные NARR представляются для точек с разрешением 0.3 градуса (32 км). На территорию Венесуэлы попадает 340 точек. Источник данных для оценки прихода ветровой энергии предлагается определять по трем критериям:

1. близость данных NARR к точке моделирования.

2. соотвествие шероховатости поверхности ближайших точек NARR и точки моделирования.

3. соотвествие высоты над уровнем моря.

Исходные данные выбираются по совокупности трех критериев. Интерполировать данные для задач моделирования прихода ветровой энергии не рекомендуется.

Источник данных для оценки прихода солнечной энергии предлагается определять по 4 критериям:

1. Количество измеряемых параметров.

2. Интервал произведённых измерений.

3. Корреляция предоствляемых данных с данными от метеостанций Венесуэлы.

4. Соответствие данных рельефа источника данных с данными по рельефу с метеостанций Венесуэлы.

Интерполировать данные для задач моделирования прихода солнечной энергии допускается.

В виду того, что шаг осреднения данных MERRA в три раза меньше (один час) имеет смысл проводить анализ данных солнечных и ветровых ресурсов NARR и MERRA и при коэффициенте корреляции >0.87 проводить сгущение данных NARR. В остальных случаях рекомендуется проводить сгущение линейным методом.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИЭ

3.1 Классификация и обоснование оптимальных структурных схем для Венесуэлы

Моделирование является важным этапом перед любой фазой конструирования системы автономного электроснабжения. При этом необходимо рассматривать ряд факторов и параметров перед определением структуры автономной системы электроснабжения, с генерирующими установками и системами накопления энергии. Особое значение среди этих факторов имеют виды возобновляемых источников энергии, количество энергии, которое могут поставлять эти источники, природно-климатические, географические и топографические характеристики местности, тип нагрузок и особенности спроса на электроэнергию. Большое количество параметров, рассматриваемых в проектировании и строительстве автономной энергосистемы, зависит от выбора технологии, размера и расположения системы, требований к обеспечению соответствующего уровня качества энергоснабжения при минимальных затратах [88].

В настоящее время в Венесуэле большинство автономных систем электроснабжения снабжаются дизельными электростанциями, что приводит к высокой стоимости эксплуатационных затрат, транспортным и экологическим проблемам. С увеличением объемов использования возобновляемых источников энергии на энергетическом рынке, энергокомлексы на их основе представляют собой жизнеспособные схемы для поставок энергии в удаленные области и регионы.

В настоящее время государство Венесуэлы находится в поисках способа рационализации процесса принятия решений об эффективности долгосрочной электрификации в удаленных областях по всей территории страны. Растущий спрос электроэнергии в удаленных общинах предполагается удовлетворять за счет применения энергокомплексов на основе ВИЭ, с полезной выработкой электроэнергии ~2500 Втч/сутки.

Как правило, автономные энергокомлексы на базе ВИЭ работают вместе с дизельными электростанциями, обеспечивающими резервирование эдектроэнергии. Однако в Венесуэле поставлена цель - полностью отказаться от дизельных электростанций, требующих регулярных поставок топлива и загрязняющих окружающую среду.

В связи с этим, национальной энергетической компанией CORPOELEC для электроснабжения энергодефицитных регионов страны и замещения существующих малых дизельных электростанций, рассматривается применение ветро-солнечных энергокомлексов [89]. Структурная схема предлагаемого энергокоплекса представлена на рисунке 3.1. Рассматриваемый

энергокомлекс состоит из ветровой энергоустановки (ВЭУ) и солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ), которые через контролеры заряда объединены по шине постоянного тока и подключены к массиву аккумуляторных батарей (АКБ) [90,91].

Данная схема предусматривает передачу электроэнергии потребителю через инвертор, осуществляя параллельно аккумулирование электроэнергии.

СФЭУ

ВЭУ

ос

шин

Рисунок 3.1- Схема энергокомплекса на основе ВИЭ

СФЭУ и ВЭУ выбраны в качестве основных источников электроэнергии из-за повсеместного наличия солнечных и ветровых ресурсов. Резервирование электроэнергии энергоустановками на традиционном топливе не предусматривается, поэтому в таких энергосистемах величина суммарной вырабатываемой энергии на основе ВИЭ, может быть в несколько раз выше, чем нагрузка потребителя, и аккумуляторная батарея работает в циклическом режиме. Оптимальный состав оборудования и параметры энергокомплекса зависят от располагаемых возобновляемых ресурсов в месте размещения, при этом нагрузка во всех случаях одинаковая и рассчитана на стандартный набор электропотребителей, которых система должна гарантированно питать. Из представленной на рисунке 3.1 обобщенной структурной схемы можно выделить два частных случая:

1. Энергокомплекс на основе солнечной фотоэлектрической установки и аккумуляторных батарей.

В соответствии с поставленной целью диссертационной работы при создании методики обоснования параметров систем автономного электроснабжения и для правильного функционирования систем автономного электроснабжения рассматривается неподвижная солнечная фотоэлектрическая установка с плоскими модулями с углом наклона, подобранным для этой широты. Из-за географического расположения Венесуэлы в тропической зоне, солнечные

лучи падают почти перпендикулярно поверхности по всей территории страны в течение года. Дни и ночи почти одинаковы по времени, днем изменение угла падения солнечных лучей минимально. Поэтому следящие за солнцем системы не рассматриваются [92,93,94].

ос

шин

СФЭУ

Рисунок 3.2 - Энергокомплекс на основе солнечной фотоэлектрической установки и

аккумуляторных батарей

2. Энергокомплекс на основе ветроэнергетической установки и аккумуляторных батарей Для проектирования варианта с ветроэнергетической установкой (рис. 3.3), планирование места, где собираются ее установить, играет большую роль, потому что на количество энергии, генерируемой ветроагрегатом сильное влияние оказывает значение средней скорости ветрового потока. Поэтому для правильного функционирования энергокомплекса на основе ветроэнергетической установки необходимо рассматривать типы ВЭУ и их рабочие характеристики. В простейшем виде автономное электроснабжения потребителя можно обеспечить прямым подключением нагрузки к ветроэлектрической установке. Недостатком такого электроснабжения является несогласованность величины и времени поступления электроэнергии от источника к потребителю. Поэтому в автономных системах электроснабжения для сохранения и перераспределения вырабатываемого первичным источником энергии электричества, а также согласования выработки и потребления электроэнергии необходимо применять АКБ. Выбор типа и емкости АКБ по своему существу относится к области повышения надежности энергоснабжения путем резервирования. Требуемая емкость АКБ зависит от типа и характеристик агрегата, режимов ветра, условий и схемы использования ветроустановки; мощности нагрузки и структуры потребителя. Напряжение АКБ рассматривается в диапазоне 12-48 В, поскольку контроллеры заряда наиболее распространены на такое напряжение [95,96,97].

йС шин

ВЭУ

Рисунок 3.3 - Энергокомплекс на основе ветроэнергетической установки и аккумуляторных

батарей.

3.2 Обзор методов и программных обеспечений для расчетов оптимальных параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения

Этот обзор был применен к различным автономным типам потребления, которые представляют собой системы самогенерации в развивающихся странах, таких как Венесуэла. Такой опыт может быть полезен для рассмотрения некоторых критериев оценки, но существует риск, что некоторые аспекты, которые при этом не учитываются, могут влиять на финальные результаты исследований. Как правило способы выбора лучшего варианта системы электроснабжения основываются только на экономическом аспекте, особенно на минимизации затрат [98].

В настоящее время одной из важнейших задач электроснабжения в сельской местности в развивающихся странах является разработка инструментов оценки, которые имеет высокую актуальность для местного и регионального развития. Существуют различные инструменты оценки проектов электроснабжения, которые рассматривают несколько видов критериев; некоторые из них разработаны в виде программного обеспечения, а другие представляют собой различные методы сравнительного анализа. Большинство инструментов, существующих в мире оцениваются, в основном, по критериям технического и экономического характера. Эти средства, как правило, являются компьютерными программами, которые решают задачи проектирования различных вариантов систем электроснабжения, таких как комбинация традиционных и возобновляемых источников энергии, так и гибридных систем только на ВИЭ. Кроме того, есть другие методы, которые в процессе анализа учитывают количественные и качественные критерии, включая социальные, экологические, технические и экономические аспекты. Большинство из этих методик разработаны с учетом процессов, которые включают в себя следующие этапы: определение и выбор критериев, выделение важности критерия, оценка альтернатив и принятие

решений [99,100,101]. В этих работах рассмотрено применение и других инструментов, используемых для оценки критериев при электроснабжении от ВИЭ. Проведен сравнительный анализ каждого инструмента, с указанием их преимуществ и недостатков применительно к цели данного исследования.

LCOE является инструментом, используемым для помощи в принятии решений с несколькими критериями оценки. Этот инструмент включает в себя развитие систематических моделей, которые должны быть адаптированы к конкретным потребностям, например, для проектов автономной электрификации, которые позитивно влияют на качество жизни людей, а также позитивно отражаются на окружающей среде [102]. Целью анализа по нескольким критериям является оценка различных сценариев и помощь в принятии решений по поиску наилучшего возможного варианта. Ниже дано описание некоторых работ по оценке вариантов с различными критериями. Существуют методы, применяемые в тех случаях, когда основная цель заключается в увеличении мощности генерации в сельских районах с помощью источников возобновляемой энергии. В работе Georgopoulou [103], на примере Греции. Из всех возможных вариантов система оценивает технические критерии (безопасность, работоспособность и стабильность электросети), экономические (размер инвестиций и затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание), социальные (направленность деятельности и уровень занятости местного населения) и экологические (качество окружающего воздуха, шум, истощение невозобновляемых ресурсов, риск изменения климата, защиту экосистем, землепользование и реализацию национальной политики). Другой пример - Cavallaro (2005 г.) на острове Сицилия, Италия, применяется набор критериев для оценки различных вариантов получения энергии ветра [104]. В этом случае использовалось два комплекта критериев: технико-экономические (объем инвестиций, эксплуатационные расходы и техническое обслуживание, объем производство энергии, экономия невозобновляемых источников, возраст технологий и время запуска) и экологические (выбросы СО2, шум, воздействие на экосистемы и все принятие обществом). В работе [105] рассмотрен проект, в котором выделены четыре группы критериев: использование ресурсов (использование топлива, стали, дерева, алюминия и других ресурсов) экологических (CO2, NO2, SO2 и твердых отходов), социальные (создание рабочих мест, развитие местного капитала и разнообразие предприятий) и экономические (эффективность, начальные инвестиции и конечная прибыль). Система берет во внимание основные факторы, основанные на различных видах возобновляемой энергии (солнечной, ветровой и биомассы), чтобы покрыть ранее определенный спрос по типу потребления (производство и коммунальное хозяйство). Также для

поддержки проектирования систем электрификации широко используется инструмент географических информационных систем (ГИС) [ 106].

Рассмотрим программное обеспечение, имеющееся в открытом доступе и которое оценивает разные альтернативные энергетические системы, каждое из них с своими критериями оценки и особенностями:

HOMER

Homer - это компьютерная программа оптимизации микроэнергетических систем, разработанная NREL (Национальной лабораторией возобновляемых энергии) (рис. 3.4). Она оценивает различные технологические варианты проектирования систем генерации энергии, как подключенных к общей сети, так и автономных систем. Homer позволяет выбрать наилучший вариант системы электрификации для удовлетворения требуемой нагрузки с экономической и технической точки зрения. Homer позволяет сравнивать расширение сети и принимает во внимание неопределенность некоторых переменных, таких, как технологичные расходы, доступность ресурсов и другие факторы. Технически, это - инструмент, который позволяет проектировать количество, тип и размер необходимых компонентов в требуемой системе, а также, если смотреть с экономической точки зрения, позволяет сравнивать различные варианты технологий. Программа оценивает стоимость жизненного цикла системы, на которую приходится инвестиционная стоимость, стоимость замещения, эксплуатационных расходов, обслуживания и топлива [107,108,109].

Рисунок 3.4 - Схематическое представление программы Homer

RETScreen

RETScreen International разработал программное обеспечение для помощи в принятии решений при выборе различных вариантов генерации энергии (электроэнергии и тепла) от возобновляемых источников энергии (рис. 3.5). Оно предназначено для разработки моделей по оценке способов повышения энергоэффективности для жилых, коммерческих и административных

зданий, а также промышленных объектов. Программа позволяет оценить начальную энергию вне контекста климатической базы данных. Она концентрируется, в основном, на деталях оценки технической и финансовой жизнеспособности, помимо выполнения анализа затрат жизненного цикла проекта и возможных выбросов парниковых газов [110,111].

Рисунок 3.5 - Схематическое представление RETScreen

ViPOR

VIPOR является моделью оптимизации при проектировании систем сельской электрификации (рис. 3.6). Помимо того, что программа изучает информацию о размере нагрузки и стоимости оборудования, она также оценивает, какие дома должны быть под напряжением от изолированных систем и какие должны быть включены в централизованную сеть. VIPOR определяет стоимость каждого из возможных альтернативных вариантов системы. В поисках минимизации затрат на распределение энергии, программа учитывает сложность местности, таким образом, она рассчитывает затраты на передачу энергии для различных типов местности [113,114].

Рисунок 3.6 - Схематическое представление VIPOR

LAP (Low voltage electrification Analysis and Planning)

LAP является программным инструментом (рис. 3.7) для технического проектирования и экономической оценки проектов электрификации низкого напряжения. Программа включает в себя 5 различных типов питания: подстанции низкого и среднего напряжения, дизельные установки,

ветрогенераторы в сочетании с дизельными генераторами, малые гидро- и солнечные системы. Программа работает на платформе географической информационной системы (ГИС), где важны слои и карта местности для проведения электрификации. Она создает список необходимых затрат на материалы. Программа считает инвестиционные затраты, эксплуатацию и техническое обслуживание сети, доход после сервисного использования, представляя экономически устойчивый оптимизированный проект [115,116,117].

Рисунок 3.7 - Схематическое представление LAP

8о1аг-ОК

SolarGIS - это программное обеспечение (рис. 3.8), которое позволяет анализировать различные технологии, которые будут использоваться в проекте электрификации, и выбрать наиболее подходящие варианты системы. Программа направлена на объединение набора технических и экономических переменных с географической информацией в единой базе данных, поддерживаемой географической информационной системой (ГИС). Область применения охватывает два основных типа систем проводки: автономная электрификация отдельных домов с использованием солнечной или ветровой энергии и гибридные системы для небольших объектов электрификации. Основой сравнительного исследования является стоимость генерации электроэнергии, необходимой для покрытия определенного спроса, таким образом, программа выполняет сравнение ежегодных расходов на генерацию электроэнергии различными технологическими вариантами производства электроэнергии [118,119,120].

Рисунок 3.8 - Схематическое представление SolarGIS

Hybrid2 это динамическая модель (рис. 3.9), которая предсказывает и моделирует долгосрочную работу гибридных энергетических систем. Эта программа является инструментом поддержки в оценке и планировании проектов электрификации сельских районов, не связанных с сетью. Она предоставляет на выбор несколько видов систем, использующих различные нагрузки: ветровые турбины, фотоэлектрические модули, дизель-генераторы, аккумуляторы, инверторы и другие электрические компоненты. Программа позволяет пользователям запускать симуляции разработанных систем, и проводит экономический анализ таких параметров, как капитальные и эксплуатационные затраты и затраты на техническое обслуживание [121,122,123].

Рисунок 3.9 - Схематическое представление HYBRID 2

iHOGA

Improved Hybrid Optimization by Genetic Algorithm (iHOGA) ранее известный как iHOGA (Hybrid Optimization by Genetic Algorithm) представляет собой программное обеспечение на базе C++ по оптимизации гибридных систем, разработанное в Университете Сарагоса, Испания. iHOGA используется для оптимизации размера гибридных энергетических систем, которые могут включать в себя фотоэлектрическую систему, ветровые турбины, гидроэлектротурбины, топливные системы, электролизеры, генерирующие системы на твердом топливе и другие виды, с целью много- или однокритериальной оптимизации, на базе генетического алгоритма и сенситивного анализа при низком расчетном времени. iHOGA способно оптимизировать угол наклона фотоэлектрических панелей, рассчитать выработку энергии за весь жизненный цикл и предусматривает возможность проведения вероятностного анализа, а также имеет опции покупки и продажи энергии в энергосеть с системой чистого измерения. Рисунок 3.10 схематически описывает программное обеспечение iHOGA [124,125].

Рисунок 3.10 - Схематическое представление ¡HOGA В таблице 3.1 представлена преимущества и недостатки программного обеспечения для оценки вариантов энергоснабжения на основе ВИЭ.

Таблица 3.1. Преимущества и недостатки программного обеспечения для оценки возобновляемых источников энергии.

Название ПО Преимущества Недостатки

HOMER - Проектирует количество, тип и размер необходимых компонентов в требуемой системе, а также, сравнивает различные варианты технологий с экономической точки зрения. - Оценивает энергетический ресурс с помощью средств вычислительной техники. - Оценка альтернативных источников энергии основывается только на технических и экономических критериях. - Использует те же самые критерии для оценки различных видов возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, биомасса и тепло).

RESTScreen - Оценивает начальную энергию вне контекста климатической базы данных - Оценка альтернативных источников энергии основывается только на технических и экономических критериях. - Критерии основаны не на исследовании регионов развивающихся стран.

VIPOR - Доступна оценка энергетического ресурса. - При оценке технических критериев учитывает особенность местности и расстояние до распределительной сети. - Оценка альтернативных источников энергии основывается только на технических и экономических критериях. - Критерии основаны не на исследовании регионов развивающихся стран.

Продолжение таблицы 3.1 Преимущества и недостатки программного обеспечения для

оценки возобновляемых источников энергии.

Название ПО Преимущества Недостатки

LAP - Доступна оценка энергетического ресурса. - Оценка альтернативных источников энергии основывается только на технических и экономических критериях. - Критерии основаны не на исследовании регионов развивающихся стран. - Технические критерии ориентированы на подключенные к электрической сети системы, а не на автономные.

Solar-GIS - Доступна оценка энергетического ресурса. - Программа направлена на объединение набора технических и экономических переменных с географической информацией в единой базе данных. -Область применения охватывает два основных типа систем проводки. - Оценка альтернативных источников энергии основывается только на технических и экономических критериях. - Критерии основаны не на исследовании регионов развивающихся стран.

Hybrid2 - Доступна оценка энергетического ресурса. - Оценка альтернативных источников энергии основывается только на технических и экономических критериях. - Экономические критерии определены по соображениям прибыль / польза. - Критерии основаны не на исследовании регионов развивающихся стран.

iHOGA - Использует одиночную или мульти оптимизацию для генетического алгоритма и сенситивного анализа. - Вычисления занимают мало времени. - Бесплатная версия имеет ограничения в анализе. - Для активации лицензии необходим интернет. - Анализ чувствительности не включен. - Вероятностный анализ не включен. - Система чистого анализа не включена.

Из обзора характеристик ПО для расчета параметров и режимов работы системы электроснабжения на базе ВИЭ следует, что не обнаружено ПО или метод, полностью удовлетворяющим экологическим, экономическим техническим и социальным критериям рассматриваемых при выборе оптимальных систем электроснабжения в развивающихся странах. Отсутствие инструмента для всесторонней оценки различных вариантов электрификации с учетом критериев, характерных для развивающихся стран, таких как Венесуэла, определенно замедляет развитие автономных энергетических систем на основе ВИЭ для решения проблемы дефицита энергоснабжения. Каждый из рассмотренных видов программного обеспечения рассматривает в основном экономические и технические критерии.

3.3 Разработка методики расчета параметров, режимов работы и выбора оптимального варианта автономного энергокомплекса на основе ВИЭ

Предлагаемая методика расчета параметров, режимов работы и выбора оптимального варианта системы автономного энергоснабжения на основе ВИЭ для условий Венесуэлы предусматривает последовательное выполнение трех этапов (рисунок 3.11):

Этап 1

Подготовка исходных данных.

1. Оценка. 2. Анализ 3. Анализ возможных

энергетических ресурсов энергопотребления технологии

использования ИЭ

Этап 2 1

Формирование моделей элементов ЭК. выбор вариантов и имитационное моделирование режимов работы

Этап 3 1

Оптимизация параметров ЭК на. основе оценки экономических, технических, экономических и социальных критериев

Рисунок 3.11 - Блок-схема методики расчета параметров, режимов работы и выбора оптимального варианта системы автономного энергоснабжения Этап 1 Подготовка и анализ исходных данных состоит из этапов.

1) Оценка ресурсов ВИЭ в месте размещения энергокомплекса;

2) Анализ энергопотребления и формирование графика нагрузки;

3) Анализ возможных технологий и схем оборудования на основе ВИЭ.

Этап 2 Имитационное моделирования режимов работы, состоит из.

1) Формирование моделей элементов ЭК.

2) Моделирование работы генерирующих установок на базе ВИЭ.

3) Моделирование аккумуляторной батареи.

4) Моделирование совместной работы элементов ЭК, работающих на одну нагрузку.

Алгоритм расчета параметров и режимов работы выполнен в среде MATLAB simulink.

Этап 3 Оптимизации параметров ЭК на основе оценки экономических, технических, экологических и социальных критериев, состоит из этапов:

1) Оценка критериев выбора оптимального варианта системы энергоснабжения.

2) Выбора оптимальной системы энергоснабжения на минимизации LCOE .

Первый этап: Построение системы электроснабжения начинается с подготовки исходных данных. Во-первых, для оценки энергетических ресурсов предлагается использовать созданные в главе 2 атласы ветроэнергетических и солнечных ресурсов с применением мезомасштабного и микромасштабного моделирования и выполняется оценка ресурсов в месте размещения. Во вторых, проводится анализ электрических нагрузок потребителя и строятся суточный и помесячный графики нагрузки потребителя. При определении нагрузки нужно изучить энергетические требования для каждой группы потребителей. Производство электрической энергии на энергокомплекса и ее потребление различными пользователями неравномерно, поэтому необходимо правильно оценить максимальные расчетные нагрузки как в целом по объекту, так и на разных уровнях системы внутреннего электроснабжения. По этим нагрузкам выбирают все электрооборудование, поэтому они не должны быть превышены в процессе эксплуатации. В то же время, неоправданное завышение расчетных нагрузок приводит к увеличению стоимости электрооборудования. На этом же этапе проводится анализ и подбор оборудования ВИЭ, которое в принципе, может обеспечить требуемое энергопотребление

Второй этап: результаты полученные на этапе 1: ветро и солнечный ресурсы, нагрузка потребителя и список оборудования являются исходными данными для имитационного моделирования режимов работы различных конфигураций состава оборудования. Имитационная схема расчёта состоит из следующих математических моделей:

1. Модель ВЭУ — описывает систему преобразования энергии. Входным параметром модели является график изменения скорости ветра, который может быть рассчитан с использованием модели или задан в виде временного ряда. Важным параметром модели ВЭУ является кривая мощности используемой ветроэнергетической установки, так как от этой

характеристики зависит такие выходные параметры ВЭУ, как текущая мощность, напряжение и ток.

2. Модель СФЭУ — представляет собой совокупность соотношений, связывающих показатели полезной мощности и КПД с параметрами, характеризующими внутренние характеристики солнечной батарей и внешние условия ее функционирования.

3. Модель аккумуляторных батарей (АКБ) — является неотъемлемой частью автономного энергокомплекса и служит для накопления электроэнергии в период изаиней генерации и отдачи ее при недостатке энергии. Количество циклов заряда разряда определяют реальный срок службы АКБ.

4. Модель графика нагрузки — построение системы электроснабжения обычно начинается с анализа электрических нагрузок. Производство электрической энергии энергокломплексом на основе ВИЭ и должно быть не меньше, чем ее потребление различными пользователями, таким образом графика нагрузки определяет минимальную выработку электроэнергии энергокомплексом.

5. Модель системы управления — включает процесс получения информации о состоянии подсистем и элементов энергокомплекса, обработки этой информации и передачи управляющих команд с целью регулирования и перераспределение энергии между оборудованием.

Третий этап: Результатом имитационного моделирования на этапе 2 являются исходные данныме для оптимизации системы электроснабжения с учетом экономических, технических, экологических и социальных критериев. Результаты этапа 2 представлены в виде списка вариантов энергокомплекса с конкретным составом, которые будут рассматриваться при поиске оптимального варианта системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ.

3.4 Разработка математической модели расчета параметров, режимов работы энергокомплекса на основе ВИЭ

На рисунке 3.12 показана параметрическая схема взаимодействия моделей элементов энергокомплексов на основе ВИЭ, различных по составу и параметрам. Математическое моделирование выполняется в течение года с интервалом 1 час и последующей многоцелевой оптимизацией. Структура математической модели энергокомплекса построена в соответствии с обобщенной структурной схемой энергокомплексов, предлагаемых компанией CORPOELEC и была представлена на рисунке 3.1 [124,125,126].

Рсс1

Модель контролера заряда СФЭУ

Уд

Модель ВЭУ с контролером заряда

I

XIV

1сс1

Усс1 Модель шины

Рсс2 постоянного

|сс2 тока

Усс2

1сс

Усс

Модель инвертора

Модель нагрузки

Модель АКБ

Рисунок 3.12 - Параметрическая схема взаимодействия математических моделей

энергокомплекса на основе ВИЭ

Оптимизация систем электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических и ветроэнергетических установок осуществляются с использованием моделей, включающих подробное описание всех элементов системы, связей между ними и возможных режимов их работы. В моделях учитываются ограничения на уровень заряда и разряда аккумуляторной батареи.

Математическая модель фотоэлектрической установки

Преобразование энергии в солнечном модуле основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Когда используется фотоэлектрическое преобразование для производства электроэнергии, наиболее важным условием является обеспечить максимальную эффективность при более низкой цене. В настоящее время эффективность кремниевых СБ превышает 24% в лабораторных условиях, и 15-18% до 20% в реальных условиях. Таким образом, моделирование электрических характеристик фотоэлектрических элементов и модулей - тока и напряжения постоянного тока (1-Ц) и мощности напряжения (Р-Ц) с использованием МРРТ контроллера заряда СФЭУ имеет важное значение для того, чтобы обеспечить их эффективность [127,128,129].

На рисунке 3.13 показана эквивалентная схема, которая может быть использована для моделирования фотоэлектрической модуля. При этом через р-п переход в обоих направлениях будет протекать ток неосновных неравновесных носителей заряда фотоэлектронов и фотодырок, а току основных носителей заряда препятствует образованный на переходе потенциальный барьер, что и определяет возможность получения в солнечном модуле фотоэлектрического тока. Ток , генерируемый солнечным (СЭ) элементом, совпадает по направлению с электрическим полем внутри элемента, которое при разомкнутой цепи представляется напряжением холостого хода Ихх [129].

Р

Р

сс

ас

У

У

Рисунок 3.13 - Эквивалентная схема фотоэлемента Освещение солнечного модуля приводит к снижению потенциального барьера и как следствие возрастанию диффузионных потоков основных носителей, т.е к возникновению так называемого тока утечки 10:

10=1

01

чи ект - 1

(3.1)

где 101 - обратный ток насыщения; и - напряжение; q - заряд электрона; к - Постоянная Больцмана

Когда солнечный модуль подключается к нагрузке ^нагру3ка, то стационарное состояние установится при меньшем напряжении И и величина тока во внешней цепи I будет [130]:

р+ВД-Л и+1я3

(3.2)

Это выражение описывает вольт-амперную характеристику реального солнечного элемента с рассмотренными потерями по току и напряжению. Также существуют потери, связанные с последовательным сопротивлением фотопреобразователя и такими процессами в р-п переходе, как шунтирование туннелирование, эмиссия и другие.

Последовательное сопротивление солнечных элементов Rs определяется по формуле:

аи

Ми™ хи'

(3.3)

Параметр проводимости солнечных элементов Ху определяется по формуле

*у = !н(Т1)

ч

дЦхх(тг)

1

. £ пкТ±__

пкТг Хи ''

(3.4)

1

Мощность СФЭУ определяется по формуле:

#СФЭУ(0 = /(^тррС^СО)) • , (3.5)

где итрр - напряжение в точке максимальной мощности, I - величина тока во внешней цепи, Птррл - КПД СФЭУ в точке максимальной мощности, О^) - падающее солнечное излучение на СФЭУ.

Суточную выработку СФЭУ можно представить формулой:

,.зах

ЭСуФтЭУ = /,ВосЛфЭу(0-^, (3.6)

^восх - время восхода солнца; ^ах- время захода солнца.

Тогда годовая выработка СФЭУ описывается выражением:

цСФЭУ _ у365 оСФЭУ п 7ч

Эгод Эсут£ (37)

Математическая модель контролера заряда СФЭУ

На входе модели контролера заряда СФЭУ, вводятся следующие параметры:

• Мощность Кфэс,

• Напряжение Цфэс,

• Напряжение Цакб,

На выходе модели можно получить:

• Мощность Ксс1,

• Напряжение Цсс1,

• Ток 1сс1.

Модель контролера заряда СФЭУ представлена на рисунке 3.14. Расчет мощности происходит по рабочей характеристике КПД СФЭУ и ограничено напряжения с обеспечением работы СБ в точке максимума мощности вольтамперной характеристики (функция МРР) [131,132]. Чтобы получить на выходе модели напряжение и ток, необходимо рассматривать характеристику уровня заряда АКБ, который зависит от напряжения АКБ. Эта характеристика представлена на рисунке 3.15.

КПД

Модель СФЭУ

^сс1(РсФЭч/Рном)

Модель контроллера заряда ФЭС

К=1, если Уфэс < 100В

Iсс 1 = Рсс1/ Усс1

Модель аккумуляторной батареи

Модель шины постоянного тока

У

Рисунок 3.14 - Схема модели контроллера заряда СФЭУ

Зарядное устройство

■ т ■ ■ 1 ■ ' т ■ ■ Т 1 ■ ■ Г ■ 1 т ■ ■ 1 ■ Т т ■ ■ т

Время ->

Рисунок 3.15 - Характеристика цикла заряда и разряда АКБ Математическая модель ВЭУ с контроллером заряда

На входе модели ВЭУ+КЗ указывают следующие параметры: • Тип ВЭУ,

• Постоянные величины (плотность воздуха, температура, площадь ВК),

• График скорости ветра,

• Рабочая характеристика ВЭУ (кривая мощности). На выходе модели можно получить:

• Мощность Ксс2,

• Напряжение исс2,

• Ток 1сс2.

Модель ВЭУ с контроллером заряда представлена на рисунке 3.16. Модель ВЭУ построена с использованием характеристик ВЭУ Вогпау (рис 3.17), которые предлагаются компанией CORPOELEC для электроснабжения изолированных потребителей в Венесуэле. На вход модели подаётся значение скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса [133,134]. Расчет мощности происходит по рабочей характеристике ВЭУ, представленной на рисунке 3.17.

Рисунок 3.16 - Блок-схема модели ВЭУ с контроллером заряда

Рисунок 3.17 - Кривая мощности ВЭУ Вогпау Мощность ветрового потока через площадь, перпендикулярную направлению, можно описать следующей формулой:

-К3, (3.8)

2 3

где А - площадь, перпендикулярная направлению, м ; р - плотность ветра, кг/м ; V -скорость ветра, м/с.

Расчет мощности ВЭУ происходит по формуле:

^ВЭУ= ^-Л-Ср-К3, (3.9)

где А - площадь ветроколеса ВЭУ, м ; Ср - коэффициент использования энергии ветра; р -

плотность ветра, кг/м ; V - скорость ветра, м/с.

Тогда годовая выработка ВЭУ описывается выражением:

эВЭУ = ^БЭУ - ТИСП, (310)

где Гисп - годовое число часов использования установленной мощности ВЭУ.

Для определения напряжения на выходе ВЭУ используется графический метод. Фирма Вогпау предоставила данные измерения частоты вращения ветроколеса и напряжения на выходе ВЭУ. Для определения частоты ВЭУ, в зависимости от мощности ВЭУ использован график, показанный на рисунке 3.18. Для определения напряжения в зависимости от частоты вращения ветроколеса использован график на рисунке 3.19.

Рисунок 3.18 - Зависимость частоты вращения от мощности ВЭУ

Рисунок 3.19 - Зависимость напряжения от частоты вращения На выходе ВЭУ находится контроллер заряда аккумуляторной батареи (КЗ АКБ), одной из функций которого является ограничитель перенапряжения, который при превышении напряжения выше 80 В отключает ВЭУ, математически ограничитель напряжения представляет собой систему:

(К = 1, если и < 80В = 0, если и > 80В ,

Кроме того, у контроллера заряда есть КПД, изменяющийся при отклонении выходной мощности ВЭУ от её номинального значения. График зависимости КПД от отношения выходной мощности к номинальному значению показан на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Зависимость КПД от нагрузки генератора Таким образом, выходное значение мощности Pcc2 будет равно:

Рсс2 = РВЭУ • Ц • К,

(3.11)

Выходными значениями контролера заряда также является напряжение Исс2, которое определяется в зависимости от уровня заряда батареи. Для данной модели получены графические зависимости уровня заряда от напряжения на аккумуляторной батарее (рисунок 3.21) и напряжения на выходе контролера заряда в зависимости от уровня заряда SоC (рисунок 3.22).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (%)

Состояние заряда

Рисунок 3.21- Зависимость уровня заряда батареи от напряжения на ней

Состояние заряда

Рисунок 3.22 - Зависимость выходного напряжения КЗ от уровня заряда батареи Ток на выходе КЗ определяется, как отношение мощности к напряжению:

1сс2 =

Р,

СС 2

и,

(3.12)

СС 2

Модель АКБ

Для оценки состояния заряда аккумуляторной батареи предлагается модель на основе методики БЫГГег [135,136,137,138], которая состоит из 4-х блоков (рис. 3.23). Модель вычисляет потери мощности в АКБ за счет коррозии и деградации:

Елок 1

Исходные данные

1. Номинальные 2. Температуре 3. Ток

параметры АКБ АКБ

Елок 2 Т

Расчет напряжения и состояние заряда

Елок 3

I

Старение модели АКБ: Коррозии и Деградации

Елок 4

I

Результаты

Рисунок 3.23 - Упрощенная схема модели контроля АКБ

В блоке 1 происходит формирование исходных данных для последующего расчета состояния АКБ, которым являются:

1. Количество АКБ: Л-лкб

2. Номинальная емкость АКБ: С^М

3. Номинальное напряжение АКБ: £/лкб

4. Температура АКБ: Тлкб

5. Максимально допустимый ток заряда /зар(£) и разряда /раЭр(с) АКБ

6. Напряжение заряда АКБ: ^зар(дкБ)

7. Напряжение разряда АКБ: ^раз(дкБ)

В блоке 2 происходит расчет напряжения и состояние заряда ^о^ АКБ, для оценки состояния аккумуляторной батареи выступает значение ее емкости при разряде в номинальном режиме. Соответственно, процесс деградации батареи характеризуется уменьшением ее емкости. Однако, не менее полезной может быть такая информация как - изменение внутреннего сопротивления аккумулятора в процессе эксплуатации; - характеристики заряда аккумулятора; - изменения величины саморазряда аккумулятора. Напряжение и состояние заряда АКБ рассчитываются по формулам:

РетрСу = ^р + ./^Р + т ((^Р + ^рРноми)^ /рСном) , (313)

где ар = 0.4956$ см-3, Ьр = 0.2456#2см-6, ср = 77.53 см3, = -0.01278 д см6, ер =

0.01289 см-3и /р = 0.0373 $2Лч-1/см6 коэффициенты сопротивления; рноми = 1.24 КГ

Номинальная концентрация кислоты; т = 20.5 кг масса кислоты в клетке; ток газовыделения можно вычислить по формуле,

, _ Снкм Т _,(си(илКБ-Угаз,о)+ст(ТЛКБ ^Газ,0)) /о 1/1\

'газ ППЛ11'газ,0 еч у , (314)

где 1газ,о =нормированный ток газовыделения от игаз,о ДО Тгаз,о 20мЛ; си = 11 В-1 коэффициент напряжения газовыделения ток; игаз0 = 2,23В - номинальное напряжение для газообразования; ст = 0.06К-1 температурный коэффициент газовыделения ток; Ггаз0 = 298 К Номинальная температура для газообразования; напряжение холостого хода полностью заряженного аккумулятора можно вычислить по формуле,

где,

и0 — 0.86В + 1Вд-1 ст.6 • рн

д — 1 В д 1ст3 • (Рноми Ретргу)

(3.15)

(3.16)

Чтобы вычислять различные механизмы старения, существующее состояние батареи (БоС) определяется в основном напряжением ячейки. Напряжение является решающим для коррозии и БоС. Также должен быть определен вклад тока газовыделения. Расчет этих показателей приведен в следующих выражениях,

если > 0 тогда

где

БоС,

т

и (г) — и0- дйоОт + Рст -аКбг + Рф)Мс ^ _5оС

(V

если < 0 тогда — и0- дОоО(1) + рт + ртМ,

I

ОоО

г-акб

да

—ном Сл(Г)_ВоО(£)

БоСф — 5оС(0) +

-акб

йг

(3.17)

(3.18)

(3.19)

БоБ^ — 1- БоС

(3.20)

Мс

0.888

где SoC(0) — 1 соответствует полной зарядке; DoD(t) = глубина разряда; — — о о4б4 Сопротивление переноса заряда, представляющее процесс, который зависит от состояния заряда;

с

1^) — применяется ток 1>0 заряд, 1<0 разряд; ~г — 1.001/1.75 - нормированная емкость батареи;