Рассчитаны среднесуточные значения параметров распределения нагрузки в соответствии с РУМ-10 по следующим формулам и представлены в таблице 2.1.2.
[pic],
(2.1.4)
[pic],
(2.1.5)
[pic],
(2.1.6)
[pic],
(2.1.7) где: [pic], sср - средние за сутки параметры распределения, Вт;
[pic], sсрс - средние за сутки параметры распределения с учетом сезона, Вт.
По (2.1.4.) и (2.1.5.) рассчитаны коэффициенты приведения (таблица
2.1.2.) и приведены значения нагрузки в i - тый период времени (таблица
2.1.3.).
Таблица 2.1.1.
Параметры распределения графика нагрузки сельской усадьбы по экспертным данным
|Часы суток |Значения нагрузки, Вт |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|1 |2 |3 |4 |5 |
|0 - 1 |133 |217 |164 |467 |
|1 - 2 |50 |100 |64 |50 |
|2 - 3 |50 |100 |50 |50 |
|3 - 4 |50 |100 |84 |50 |
|4 – 5 |80 |125 |110 |67 |
|5 - 6 |180 |160 |110 |124 |
|6 – 7 |230 |203 |159 |203 |
|7 – 8 |357 |354 |278 |443 |
|8 – 9 |944 |971 |1064 |864 |
|9 – 10 |1307 |1371 |1278 |1207 |
|10 – 11 |1307 |1257 |1207 |1250 |
|11 – 12 |1121 |943 |893 |986 |
|12 – 13 |536 |429 |436 |393 |
|13 – 14 |707 |471 |421 |721 |
|14 – 15 |936 |700 |650 |664 |
|15 – 16 |1157 |1271 |507 |1143 |
|16 – 17 |1179 |1264 |850 |1274 |
Продолжение табл. 2.1.1
|1 |2 |3 |4 |5 |
|17 – 18 |724 |1264 |1200 |1200 |
|18 – 19 |746 |1356 |911 |1278 |
|19 – 20 |863 |1183 |1021 |1042 |
|20 – 21 |673 |1173 |578 |967 |
|21 – 22 |373 |949 |709 |596 |
|22 – 23 |212 |549 |438 |328 |
|23 – 24 |198 |246 |203 |192 |
Таблица 2.1.2.
Параметры распределения нагрузки по данным РУМ - 10
|Сезон |Коэффициент сезона |Рср, Вт |Бср, Вт |к1 |К2 |
|Зима |1 |1100 |535 |1,25 |365 |
|Весна |0,8 |880 |535 |1,12 |98 |
|Лето |0,7 |770 |375 |0,93 |251 |
|Осень |0,9 |990 |482 |1,08 |290 |
Таблица 2.1.3.
Параметры графика нагрузки, приведенные к генеральной совокупности
|Часы суток |Значения нагрузки, Вт |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|1 |2 |3 |4 |5 |
|0 - 1 |531 |341 |404 |794 |
|1 – 2 |427 |210 |312 |344 |
|2 – 3 |427 |210 |297 |344 |
|3 – 4 |427 |210 |329 |344 |
|4 – 5 |465 |238 |353 |362 |
|5 – 6 |590 |272 |353 |424 |
|6 – 7 |652 |325 |399 |499 |
Продолжение табл. 2.1.3
|1 |2 |3 |4 |5 |
|7 - 8 |811 |494 |510 |768 |
|8 – 9 |1545 |1185 |1240 |1223 |
|9 – 10 |1999 |1633 |1440 |1594 |
|10 – 11 |1999 |1506 |1373 |1640 |
|11 – 12 |1766 |1154 |1081 |1355 |
|12 – 13 |1035 |578 |656 |714 |
|13 – 14 |1249 |625 |642 |1069 |
|14 – 15 |1535 |882 |856 |1007 |
|15 – 16 |1811 |1521 |722 |1524 |
|16 – 17 |1839 |1514 |1041 |1666 |
|17 – 18 |1270 |1514 |1367 |1586 |
|18 – 19 |1298 |1617 |1098 |1670 |
|19 – 20 |1444 |1423 |1200 |1415 |
|20 – 21 |1206 |1412 |788 |1334 |
|22 – 23 |630 |713 |658 |644 |
|23 – 24 |612 |384 |440 |497 |
Как видно из таблицы 2.1.3., параметры распределения приведенной нагрузки совпадают с параметрами генеральной совокупности.
По данным таблицы 2.1.3. построены графики нагрузок на вводе в сельскую усадьбу (лист 4).
2.2. Выбор основного и вспомогательного возобновляемого источника энергии.
Возобновляемые источники энергии (ветер и Солнце) являются неуправляемыми человеком, поэтому надо стремиться к тому, чтобы потребление электроэнергии было увязано с ее поступлением. Это является особенностью проектирования электроснабжения на основе ВИЭ по сравнению с традиционным электроснабжением.
Так как нагрузка усадьбы и мощность ВИЭ (ветра или Солнца) являются независимыми величинами, то согласованность их графиков оценивается коэффициентом корреляции /5/, который определяется по формуле:
[pic],
(2.2.1.) где: rxy - коэффициент корреляции случайных величин X и Y; mxy - корреляционный момент случайных величин Х и Y.
Корреляционный момент является математическим ожиданием произведения отклонений случайных величин Х,Y и вычисляется по формуле /5/:
[pic],
(2.2.2.)
Как видно из формулы (2.2.1.) и (2.2.2.) расчет коэффициентов
корреляции является довольно трудоемкой операцией, требующей массовых
вычислений. Тем более, что коэффициенты корреляции должны вычисляться для
каждого сезона отдельно. В этой связи, определение коэффициентов корреляции
было выполнено на ПЭВМ на базе стандартного пакета программ Microsoft
Excel. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.2.1.
Таблица 2.2.1.
Коэффициенты корреляции
|rxy|Сезон |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|rнв|0,66 |0,20 |0,44 |0,43 |
| |0,59 |0,25 |0,41 |0,34 |
|rнс| | | | |
Здесь: rнв - коэффициент корреляции между нагрузкой и удельной мощностью ветра; rнс - коэффициент корреляции между нагрузкой и плотностью солнечного излучения.
Из расчетов коэффициентов корреляции (табл. 2.2.1.) видно, что зимой, летом и осенью удельная мощность ветра более коррелирует с нагрузкой на вводе в сельскую усадьбу, чем плотность солнечного излучения. Весной наоборот, нагрузка более согласуется с солнечным излучением, но коэффициент корреляции очень низкий. На основании этого в качестве основного источника энергии принимается ветер. Так как в течении года наблюдаются штилевые дни, то энергию ветра необходимо дублировать. В этой связи в качестве вспомогательного источника принимается солнечное излучение. Однако прямое солнечное излучение также бывает не каждый день и отсутствует ночью. Это обусловливает необходимость аккумулирования энергии на периоды одновременного отсутствия ВИЭ ветра и Солнца.
Таким образом, для электроснабжения сельской усадьбы принимаются следующие источники энергии:
- ветер (основной источник );
- солнечное излучение ( вспомогательный источник );
- аккумуляторы (резерв ).
Функциональная схема электроснабжения по выбранному варианту показана на листе 5.
Электроснабжение осуществляется следующим образом. Если присутствует
ветер, то от ветроколеса приводится во вращение машина постоянного тока
(МПТ), заряжающая аккумуляторы , и генератор переменного тока (ГПТ). Если
ветра нет или ветроколесо выключено при недопустимо сильном ветре, то
аккумулятор питает МТП, которая вращает генератор. Солнечная энергия
используется для до зарядки аккумулятора.
2.3. Определение мощности энергетических установок
Мощность ветроэнергетических установок является одной из наиболее важных характеристик, определяющей надежность системы электроснабжения.
Мощность ветроэнергетической установки (В-установки) должна быть достаточной для питания электроприемников усадьбы и зарядки аккумуляторов такой емкости, которой достаточно для питания электроприемников в штилевые дни ( в течении четырех суток ). При этом нужно учитывать, что в период штиля аккумуляторы могут дозаряжаться от солнечной энергоустановки (С- установки). Очевидно что суммарная стоимость В - установки, С-установки и аккумуляторов должна быть при этом минимальной. Таким образом, обоснование мощности энергетических установок является оптимизационной задачей, которую можно сформулировать следующим образом - определить мощность В-установки, С- установки и емкость аккумуляторов, достаточные для бесперебойного электроснабжения усадьбы и имеющие минимальную стоимость. В этой задаче критерием оптимальности является стоимость, следовательно задача формализуется следующим образом:
[pic], (2.3.1.)
Wв + Wс = 5Wо
(2.3.2.)
Wа = Wв - Wо
(2.3.3.) где: Y - целевая функция;
Sв, Sс, Sа - стоимость электроэнергии, вырабатываемой соответственно В- установкой, С-установкой и аккумуляторами;
Wв, Wс - электроэнергия, вырабатываемая соответственно В- установкой и
С-установкой кВт ч;
Wа- электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе, кВт ч;
Wо- суточное расчетное потребление электроэнергии, кВт ч. По данным п.2.1. Wо=22,4 кВт ч.
Раскроем функции стоимостей электроэнергии и проведем необходимые вычисления в долларах США. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой В- установкой, растет с увеличением Wв нелинейно. Это объясняется опережающим ростом материалоемкости и сложности конструкции /18,20,22/.В общем случае можно записать эмпирическое выражение:
[pic]Sв(Wв) = kвWвxх
(2.3.4.) где kв, x - эмпирические коэффициенты.
По данным /18/ электроэнергия, выработанная В-установкой мощностью 1 кВт и сроком службы 20 лет стоит 0,5 $, мощностью 3 кВт стоит 0,66 $. За срок службы будет выработано электроэнергии:
Wв = tвNс
(2.3.5.) где: tв- время работы в году, ч;
Nс- срок службы, лет.
По данным п.1.2. tв=6830 часов.
Подставив эти данные ориентировочно можно записать:
[pic]
После логарифмирования, получаем:
[pic]
Откуда: kв = 0,05; x = 1,2.
Следовательно, функцию стоимости электроэнергии, вырабатываемой В- установкой, можно приближенно выразить формулой:
[pic], (2.3.6.)
Стоимость электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, имеет линейную зависимость, т. к. в основном определяется площадью фотоэлементов, пропорциональной мощности установки. Следовательно, можно записать:
Sс(Wс) = sоWс, (2.3.7.) где: sо - стоимость 1 кВт часа электроэнергии, вырабатываемой С- установкой, дол/кВт ч..
По данным /18/ sо= 0,1дол/кВт ч.
Подставив численые значения, имеем:
Sс= 0,1 Wс
(2.3.8.)
Удельная стоимость аккумуляторов падает с увеличением их емкости приблизительно по гиперболической зависимости. Для практических расчетов в этом случае функцию стоимости электроэнергии, отдаваемой аккумуляторами, можно выразить следующим образом:
Sа = kаWа-2,
(2.3.9.) где: kа - коэффициент пропорциональности.
Для получения численного значения воспользуемся данными о стоимости аккумулятора 6СТ- 75. Его стоимость около 40 долларов. С учетом этого имеем:
40 = kа(0,66)-2 kа = 40(0,66)-2 = 17,4
Здесь 0,66 - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе.
Таким образом, функция стоимости электроэнергии, накапливаемой в аккумуляторах, имеет вид:
Sа = 17,4 Wа-2
(2.3.10.)
Подставив (2.3.6.), (2.3.8.) и (2.3.10.) в целевую функцию (2.3.1.), с учетом ограничений (2.3.2.) и (2.3.3.), получаем:
[pic]
Для определения Wв, обращающей целевую функцию в min, проведем соответствующие вычисления /32/:
