CC BY
8
УДК 620.92
В В. КУРАК, О.В. АНДРОНОВА, А.М. ЯЦЕНКО, Н.В. ЯЦЕНКО
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
АВТОНОМНА В1ТРО-СОНЯЧНА СИСТЕМА ДЛЯ ЕЛЕКТРОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРОМИСЛОВОГО ОБ'СКТУ
Розглянуто доцшьнгсть орган1зацИ автономного електрозабезпечення тдприемства з розробки Зах1дно-Тягинського родовища вапняюв, розташованого на територИ Херсонськог областг, за рахунок використання вгтро-сонячного потенцгалу мгсцевостг. Проведено енергетичний аудит електричног частини об'екту, результати якого дозволили встановити розподш потреби в електричнш енергИ в розр1з1 року. Розраховано енергетичт параметри, яким мае задовольняти автономна втро-сонячна система для цшоргчного покриття потреби тдприемства в електричнш енергИ. Представлено принципи оптимгзацИ енергетичних показнитв автономног втро-сонячног електростанцИ.
На основi анализу украгнського ринку тдивгдуальних втроелектричних та фотоелектричних установок запропоновано низку можливих варiантiв автономних систем, здатних забезпечити енергопотребу даного об'екту, та визначено гх технiко-економiчнi показники. Встановлено, що з техтчно'г' та економiчно'г точок зору безперебшне електропостачання доцшьно здшснювати системою на основi втроелектричног установки потужнiстю 400 Вт та 29 фотоелектричних модулiв з номтальною потужнiстю 330 Вт кожен, гiбридного твертора потужтстю 2,4 кВт, а також 18 спецiалiзованих акумуляторних батарей сумарною емнктю 1800 А-год. При каптальних витратах 541,5 тис. грн така система забезпечуе рiчне виробництво електричног енергИ на рiвнi 13 500 кВт-год та дозволяе економити на експлуатацшних витратах, пов'язаних з обслуговуванням i забезпеченням паливом базовог бензиновог електростанцИ, до 160 тис. грн на рк
Ключовi слова: втровий режим, сонячна радiацiя, електрична енергiя, автономна система.
В.В. КУРАК, Е.В. АНДРОНОВА, А.М. ЯЦЕНКО, Н.В. ЯЦЕНКО
Херсонский национальный технический университет
АВТОНОМНАЯ ВЕТРО-СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА
Рассмотрена целесообразность организации автономного электрообеспечения предприятия по разработке Западно-Тягинского месторождения известняков, расположенного на территории Херсонской области, за счет использования ветро-солнечного потенциала местности. Проведен энергетический аудит электрической части объекта, результаты которого позволили установить распределение потребности в электрической энергии в разрезе года. Определены энергетические параметры, которым должна удовлетворять автономная ветро-солнечная система для круглогодичного покрытия потребности предприятия в электрической энергии. Описаны принципы оптимизации энергетических показателей автономной ветро-солнечной электростанции.
На основе анализа украинского рынка индивидуальных ветроэлектрических и фотоэлектрических установок предложен ряд возможных вариантов автономных систем, способных обеспечить энергопотребности данного объекта, и определены их технико-экономические показатели. Установлено, что с технической и экономической точек зрения бесперебойное электроснабжение объекта целесообразно осуществлять автономной системой на основе ветроэлектрической установки мощностью 400 Вт и 29 фотоэлектрических модулей с номинальной мощностью 330 Вт каждый, гибридного инвертора мощностью 2,4 кВт, а также 18 специализированных аккумуляторных батарей суммарной емкостью 1800 А -ч. При капитальных затратах 541,5 тыс. грн такая система обеспечивает годовую выработку электрической энергии на уровне 13 500 кВт-ч и позволяет экономить до 160 тыс. грн в год на эксплуатационных расходах, связанных с обслуживанием и снабжением топливом базовой бензиновой электростанции.
Ключевые слова: ветровой режим, солнечная радиация, электрическая энергия, автономная система.
V.V. KURAK, E.V. ANDRONOVA, A.M. YATSENKO, N.V. YATSENKO
Kherson National Technical University
OFF-GRID WIND-SOLAR SYSTEM FOR ELECTRIC SUPPLY OF INDUSTRIAL OBJECT
The advisability of autonomous wind-solar power supply system for the West-Tyaginsky limestone plant, located in the Kherson region, is considered. Based on results of electrical part energy audit the year distribution of object's electrical needs is determined. The energy parameters that must be satisfied by autonomous wind-solar system for all-the-year coverage of the plant's electrical needs are determined. The principles of energy parameters optimization for autonomous wind-solar power plants are given.
Basing on the analysis of the Ukrainian market of individual wind power and photovoltaic devices a number of possible autonomous systems is proposed. Technical and economic parameters have been determined for proposed systems. It has been find out, that an off-grid system composed of a 400 W wind turbine, twenty-nine 330 Wphotovoltaic modules, 2.4 kW hybrid invertor and 18 specialized batteries with a total capacity of 1800 Ah is expedient from technical and economical points of view for uninterrupted power supply of the object. With a capital investments of 541.5 thousands UAH, such system provides an annual generation of electricity at a level of 13 500 kWh and saves up to 160 thousands UAH per year in operating costs related with base-case gasoline power station servicing and fuel supplying.
Keywords: wind conditions, solar radiation, electrical energy, off-grid system.
Постановка проблеми
Особливосл ктматичного режиму твденних регюшв Укра!ни сприяють розвитку генеруючих потужностей, що використовують сонячний та вироенергетичний ресурс. Так в умовах Херсонсько! обласл рiчне надходження сумарно! сонячно! радiацi! на горизонтальну поверхню становить понад 1300 кВт-год / м2, а рiчний потенщал виру в твденних районах сягае 3000 кВт-год / м2 [1]. Це разом 3i стимулюючою дieю «зеленого» тарифу приваблюе швестици в побудову як потужних централiзованих фото- та вироелектричних станцш, так i iндивiдуальних мережевих електрогенеруючих систем порiвняно невелико! потужносл, що працюють в единш енергосистемi Укра!ни [2].
1ншим прикладом застосування систем альтернативно! енергетики е автономш електричш станцп, призначеш для забезпечення енергiею об'екпв, вiддалених вiд лiнiй електропередач. Зважаючи на незначний ввдсоток таких об'екпв на територи Укра!ни, що переважно розташовуються в гiрськiй мiсцевостi, на малозаселених островах, тощо, широкого поширення автономнi системи (АС) не набули.
Перiодичний та випадковий характер сонячного та вiтрового ресурсу потребуе включения до складу автономно! електростанцп системи акумулювання, що забезпечуе безперебiйнiсть електропостачання в нiчний перiод, похмурi або безвиряш днi. Це призводить до суттевого збiльшення вартостi одиницi встановлено! потужностi АС в порiвняннi з мережевими електростанщями i, як наслвдок, електрозабезпечення вiддаленого ввд електричних мереж об'екта здшснюеться, зазвичай, не за рахунок сонячно! або вiтрово! енерги, а бензиновим або дизельним генератором.
AH^i3 останшх дослiджень i публжацш
Головними складовими типово! АС е генератор електрично! енергi!, в якосл якого можуть використовуватись фотоелектричнi модулi (ФЕМ) або вiтроелектрична установка (ВЕУ), акумуляторна батарея (АКБ), контролер заряду та автономний швертор, що перетворюе постшну напругу у змiнну [3]. При достатньому надходженнi енергетичного ресурсу до генератора ввдбуваеться живлення навантаження та заряджання АКБ. В шшому випадку живлення навантаження вiдбуваеться за рахунок енерги, накопичено! в АКБ. Зважаючи на випадковий характер вирово! енерги i перiодичнiсть сонячно! шсоляцп, АС потребуе значно! встановлено! потужносл генеруючого пристрою, щоб забезпечити заряджання АКБ в перюд достатнього надходження енергетичного ресурсу. При зменшенш потужносл споживання це може призвести до вироблення надлишку енергi!, який мае бути розаяним на баластному навантаженш або ж лiквiдований шляхом часткового ввдключення генеруючих потужностей. Крiм того, тривалють перiоду живлення навантаження ввд АКБ залежить ввд !! емносл [2]. Отже, для безперебшного забезпечення споживача електричною енергiею тд час тривало! нестачi енергоресурсу потрiбно використовувати АКБ велико! емностi, що попршуе економiчнi показники автономних вироелектричних та фотоелектричних станцiй.
Одним iз можливих шляхiв мiнiмiзацi! гостроти вказаних проблем е переход до виро-сонячних АС, що використовують в якосл генератора одночасно як ФЕМ, так i ВЕУ. Паралельне перетворення сонячних та вiтрових енергетичних потоков генератором дозволяе не тшьки зменшити добовi та сезоннi коливання в надходженш енергi! до АС [4], але й забезпечуе додатковi можливостi ошгашзацп техшко-економiчних показник1в системи шляхом мiнiмiзацi! надлишку вироблення енергi! при розд№ному регулюваннi потужностi фото- та вироелектрично! подсистем у вiдповiдностi до ктматичного режиму мiсцевостi. Це в свою чергу мае сприяти покращенню швестицшно! привабливостi вiтро-сонячних АС в
порiвняннi з фотоелектричними та впроелектричними АС, а також автономными електростанщями, що працюють на традицшному паливi.
Формулювання мети дослiдження Метою дано! роботи е дослiдження доцшьносп оргашзаци автономного електрозабезпечення промислового об'екту, розташованого на територп Херсонсько! области за рахунок використання виро-сонячного потенцiалу мiсцевостi.
Викладення основного матерiалу досл1дження В якостi об'екта дослщження обрано Захвдно-Тягинське родовище вапняк1в, розташоване поблизу с. Iванiвка Бiлозерського району Херсонсько! область Енергозабезпечення об'екту здшснюеться за рахунок бензинового електрогенератора потужшстю 3 кВт. Лiнiя централiзованого електропостачання демонтована, !! ввдновлення не плануеться.
Мiсце розташування об'екту характеризуеться значним рiчним надходженням сонячно! радiацi! на горизонтальну поверхню - близько 1430 кВтгод/м2 [5] та середньорiчним значенням швидкостi вiтру для умов вщкрито! мiсцевостi - понад 5,7 м/с. Отже, доцшьним е розгляд можливосп безперебiйного електропостачання вiд АС, що використовуе сонячну та вiтрову енерпю.
З метою визначення енергоспоживання проведено аудит електрично! частини об'екту. Встановлено, що електронавантаження об'екту формуеться побутовими приладами адмiнiстративного примiщення та системою освгглення територi!, як1 е споживачами змiнно! напруги. Навантаження постiйно! напруги ввдсутне. Аналiз тривалостi та перюдичносп використання споживачiв електрично! енергi! дозволив скласти типовi графiки електроспоживання об'екту для лигах та зимових мюящв (рис. 1). Особливiстю об'екту е чпко виражена сезоннiсть електроспоживання, що пов'язано з необхiднiстю опалення адмшютративного примiщення електрообiгрiвачем та збiльшенням часу освилення територi! в зимовий перюд. Розрахункове добове споживання електрично! енергп влiтку становить 11,840 кВт-год, а взимку - 24,608 кВт-год при шковому навантаженнi 2,4 кВт. Рiчне споживання енергi! складае 6560,64 кВт-год.
Рис. 1. Типовий добовий график електроспоживання об'екту
Сумарна eMHicTb АКБ, що noTpi6Ha для забезпечення безперебшного живлення об'екту за умови вщсутносл надходження eHepri! ввд нетрадицiйних джерел протягом однiеi доби зимового перюду, розраховувалась за методикою [6] з врахуванням втрат в iнверторi при перетворенш постiйноi напруги в змшну, температурного коефiцiенту емностi та допустимо! глибини розряду АКБ. Розрахункове значення сумарно! емностi АКБ становить 1757,92 А-год при напрузi 24 В. Зазначену сумарну емнiсть можуть забезпечити 9 спецiалiзованих акумуляторiв номiнальною емшстю 200 А-год та напругою 24 В, що з'еднаш мiж собою паралельно, або 18 акумуляторiв тако! ж емностi, але напругою 12 В, що формують батарею з дев'яти паралельних гшок по два послвдовно з'еднаних акумулятори в кожнш. Аналiз технiчних та цiнових показнишв спецiалiзованих акумуляторiв для вiтро-сонячних систем електропостачання, представлених на укра!нському ринку, показав доцшьшсть формування АКБ на базi 18 батарей ALVA AD 12-200. Особливютю цих акумуляторiв е шдвищена стiйкiсть до глибокого розряду та тривалий термiн служби (до 15 рошв).
Розрахунок вироблення енерги вiтроелектричною пiдсистемою АС здiйснювався за методикою [7], що базуеться на використанш даних метеорологiчних спостережень за вировим режимом мiсцевостi,
в яких надано повторювашсть швидкостей вiтру за градацiями. В розрахунку використовуеться експериментальна робоча характеристика ВЕУ, як залежшсть потужностi установки вщ швидкостi вiтру
N = N (иг), а вироблення енергп за перiод часу А/ знаходиться, як сума вироблення енергп за кожною градацiею швидкостi виру з урахуванням повторюваностi АФ;- даного значения швидкостi вiтрового потоку и;-:
Евгу = 2 Е, (и,) = 2 К, (и,)АФ,-А/.
(1)
При визначенш швидкостi вiтру для мюця розташування ВЕУ використовували данi з вирового режиму найближчо! метеостанци „Берислав", враховуючи клас вiдкритостi мiсцевостi та висоту осi вiтротурбiни.
Вироблення енергп подсистемою ФЕМ ЕФЕМ за аналопчний перiод часу А/ визначалось за
методикою [6] на основi аналiзу метеорологiчних даних [5] з надходження сонячно! радiацil на поверхню сонячних модулiв, орiентованих на твдень. З метою збiльшення надходження сонячно! енергп до ФЕМ у зимовий перюд, коли спостерiгаеться максимальне споживання енергп об'ектом, кут нахилу ФЕМ вщносно горизонтально! поверхнi приймався таким, що дорiвнюе 60°. Такий кут нахилу не лише забезпечуе максимальний потiк сонячно! радiацi! на поверхню ФЕМ у зимовi мiсяцi, але й дозволяе зменшити надлишок вироблено! енергi! у лiтнiй перiод, коли енергоспоживання об'екту стае нижчим (рис. 2). Отже, з'являеться можливiсть задов№нити потребу у виробленнi енергi! за рахунок меншо! кiлькостi ФЕМ i таким чином мiнiмiзувати капiтальнi витрати.
80
70 60
ч 50 о
н 40 М
* 30
§
^20
10
0
н
и
□ Кут нахилу 60; 81 ФЕМ
□ Кут нахилу 45; 85 ФЕМ
■ Загальнодобова витрата
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Мкящ
Рис. 2. Розподш середньодобового вироблення енергп АС на основi ФЕМ АМЕМ80ЬАЯА8-бР30-330 / 4ВВ за мiсяцями
Загальна енергiя, що виробляеться вiтро-сонячною АС, е сумою енергш, отриманих за один i той самий перюд часу вщ !! подсистем:
ЕАС = 2 Е' = ЕВЕУ + ЕФ
(2)
причому для забезпечення безперебшносп енергопостачання об'екту добове значення ЕАС мае бути не меншим за загальнодобову потребу в електричнш енергi! Е Д , тобто енерпю, що витрачаеться АС як на безпосередне живлення електричних споживачiв, так i на поновлення запасу АКБ з урахуванням втрат в перетворюючих та зарядних пристроях. Якщо ЕВЕУ = 0 - маемо окремий випадок фотоелектрично! АС,
!=1
!=1
!=1
при Ефем = 0 - вироелектричну систему. Оптимiзацiя ж АС за енергетичними показниками зводиться до мiнiмiзацil надлишку вироблення енергi! АЕ = ЕАС — Е3д :
АЕ ^min ; АЕ >0. (3)
Варiанти АС, що розглядались, представленi у табл. 1. АС комплектуеться високоефективними ФЕМ на основi полiкристалiчних сонячних елеменпв AMERISOLARAS-6P30-330/4BB номiнальною потужнiстю 330 Вт, одшею ВЕУ з широким дiапазоном робочих швидкостей вiтру, АКБ на базi 18 акумуляторiв ALVA AD 12-200, а також пбридним iнвертором МК 1К-3К 2,4 кВт з тковою потужнiстю 4,8 кВт. Мшмально необхiдна кiлькiсть модулiв у пiдсистемi ФЕМ АС визначалась, виходячи з
загальнодобово!' потреби в електричнш енергп ЕЗД , середньодобового вироблення енергп тдсистемою ВЕУ ЕВЕУ та одним модулем сонячних елеменпв ЕФЕМ1 з округленням результату до найближчого бiльшого цiлого:
^ФЕМ = К ЕВЕУ )/ Е
ЗД ЕВЕУ)/ ЕФЕМ1 . (4)
Таблиця 1
Варiанти АС на основi ФЕМ та ВЕУ_
Позначення АС Генеруючi потужносл
ВЕУ ФЕМ
I EuroWind 500 -
II WS-WT400W 29 модулiв
III СВ-1.2/30 «Бджола» 32 модулi
IV EuroWind 300M 47 модулiв
V - 81 модуль
На рис. 3 представлено розподш середньодобового вироблення електрично!' енерги запропонованими АС по мюяцях у порiвняннi з ввдповщною витратою енергп, а в табл. 2 - даш з рiчного вироблення та надлишку енерги.
80 70 60
£ 50 н
^ 40
N 30
20 10 0
□ AC I С^ II Е^ III С^ IV
□ AC V
■ Загальнодобова витрата
23
67 Мiсяцi
8 9 10 11 12
Рис. 3. Середньодобове вироблення енергп АС на основi ФЕМ та ВЕУ
1
4
5
Таблиця 2
Pi'iiie вироблення та надлишок енерпТ_
АС I II III IV V
Еас , кВт-год piK 14 750 13 500 13 645 14 666 19 888
AEpiK , кВт-год 7 431 6 182 6 327 7 348 12 570
Як показуе аналiз рис. 3, вироблення енерги кожним iз запропонованих варiантiв АС перекривае загальнодобову потребу в електричнш енергп в будь-якому шсящ, а отже, забезпечуе безперебiйне електропостачання об'екту протягом року. АС I, яка використовуе у якосп генератора лише ВЕУ, виробляе найб№ше енерги у мюящ зимового перiоду, а влику вироблення зменшуеться, що обумовлено особливостями вирового режиму територп i добре узгоджуеться з сезоннiстю графша енергоспоживання. Втiм, варiант АС I характеризуемся значним рiчним надлишком вироблено! енерги, тому не може вважатися оптимальним (табл. 2). 1нший варiант системи - АС V - використовуе лише ФЕМ i демонструе максимальний надлишок вироблення енергп iз всiх запропонованих систем, що пояснюеться зростанням рiвня сонячно! шсоляци у лггаш перiод на фонi зменшення енергопотреби об'екту.
Кращi енергетичнi показники демонструють АС, що використовують одночасно як вировий, так i сонячний енергетичнi потоки (АС II - АС IV). Причому мiнiмальний рiчний надлишок вироблено! енергi! спостерiгаеться для варiанту АС II, генеруючi потужносп якого складаються з вертикальноосьово! ВЕУ WS-WT400W номiнальною потужнiстю 400 Вт та 29 ФЕМ AMERISOLARAS-6P30-330 / 4ВВ, розташованих пiд кутом нахилу 60°. Отже, з енергетично! точки зору даний варiант АС е найоптимальшшим iз всiх запропонованих.
Дощльшсть реалiзацi! запропонованих варiантiв АС визначали на основi розрахунку перюду окупностi Т (табл. 3), для чого для кожно! системи розраховувались капiтальнi витрати К, рiчнi доходи вiд експлуатацi! Д, в якосп яких приймалися експлуатацшш витрати базово! АС на основi бензинового
генератора, що замiщуеться, а також рiчнi експлуатацiйнi витрати ЕВ ново! системи (в цшах станом на ачень 2019 р.).
Таблиця 3
Екопомнчш показники запропонованих г.аркшиг. АС_
Позначення АС K, тис. грн Д, тис. грн. / ргк EB, тис. грн. / рш T, роки
I 552,212 188,598 30,063 3,48
II 541,516 11 29,726 3,41
III 576,056 11 30,814 3,65
IV 674,401 п 33,912 4,36
V 849,232 п 39,419 5,69
Данi табл. 3 вказують на еконоMi4Hy доцiльнiсть впровадження будь-якого i3 запропонованих BapiaHTiB АС, оск1льки перiоди !х окупносп значно меншi строку експлyатацii основних складових системи: ВЕУ мало! потужност - не менше 15 рошв, ФЕМ на основi полiкpистaлiчних кремшевих сонячних елементiв - 25 рошв, швертор - не менше 25 рошв, АКБ на основi спецiaлiзовaних aкyмyлятоpiв ALVA AD 12-200 - 15 рошв. Близью перюди окупносп мають системи АС I та АС II -приблизно 3,5 роки. Однак, вapiaнт АС II е бшьш ефективним з енергетично! точки зору, осшльки забезпечуе мшмум надлишку вироблення енеpгii. Тому саме ця система рекомендуеться для автономного електрозабезпечення об'екту.
Висновки
Анaлiз технiко-економiчних показник1в piзних вapiaнтiв автономних систем електропостачання показав, що для безперебшного електрозабезпечення промислового об'екту - Захщно-Тягинського родовища вапняк1в (с. Iвaнiвкa Бшозерського району Херсонсько! облaстi) - доцшьним е переход ввд базово! АС на основi бензинового генератора до вгтро-сонячних АС. Встановлено, що з енергетично! та економiчноi точок зору для даного об'екту оптимальною е система, що складаеться з ВЕУ WS-WT400W номшальною потyжнiстю 400 Вт, ФЕМ AMERISOLARAS-6P30-330/4BB в шлькосп 29 штук, гiбpидного iнвеpтоpa NK 1K-3K 2,4 кВт з шковою потyжнiстю 4,8 кВт та 18 акумуляторних батарей ALVA AD 12200 сумарною емнiстю 1800 А-год. При кaпiтaльних витратах 541,516 тис. грн така система забезпечуе piчне виробництво електрично! енеpгii на piвнi 13 500 кВт-год та дозволяе економити на експлуатацшних витратах, пов'язаних з обслуговуванням i забезпеченням паливом базово! бензиново! АС, до 160 тис. грн на рк.
Список використанот л^ератури
1. Кудря С.О. НеIрадицiйнi та вщновлюват джерела енерт / С.О. Кудря. - К.: НТУУ ,,КПГ', 2012. - 492 с.
2. Андронова О.В. Пор1вняння техн1ко-економ1чних показнишв децентрал1зовано1 вироелектрично! та фотоелектрично! станцш / О.В. Андронова, В.В. Курак // Вюник ХНТУ. -2017. - №4(63). - с. 19-26.
3. Григораш О.В. Классификация и основные способы построения солнечных электростанций / О.В. Григораш, И.В. Евтушенко, М.А. Попучиева // Научный журнал КубГАУ. - 2016. -№124(10). - с. 1-14.
4. Ветро-солнечная станция 0,8/2 кВт [Електронний ресурс] // Alteco. Альтернативная энергетика и экотехнологии [сайт]. - Режим доступу: https://alteco.in.ua/solution/avtonomnoe-jelektrosnabzhenie/vetro-solnechnaja-stancija-0-8-2-kvt-variant-1 (28.03.2019). - Назва з екрану.
5. NASA surface meteorology and solar energy - location [Електронний ресурс] // Atmospheric science data center [сайт]. - Режим доступу: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa.gov . — Назва з екрану.
6. Охоткин Г.П. Методика расчета мощности солнечных электростанций / Г.П. Охоткин // Вестник Чувашского университета. - 2013. - №3. - с. 222-230.
7. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки / В.П. Харитонов. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. - 280 с.
