Определение оптимального параметра гелио- и ветроэнергетической установки для энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Таким образом, при помощи полученных математических моделей и построенных по ним графических зависимостей, варьируя технологическими параметрами процесса обработки вторичного волокна, можно снизить затраты удельного расхода электроэнергии на 27%.

Литература

1. Пижурин, А.А Исследование процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесн. пром-сть. - 1984. - 232 с.

2. Чистова, Н.Г. Безотходные технологии в производстве древесноволокнистых плит / Н.Г. Чистова,

Н.А. Петрушева, В.Н. Трофимук// Фундаментальные исследования. - М., 2004. - № 3. - С. 112-113.

----------♦'-------------

УДК 631.37.045 С.К. Шерьязов, А.А. Аверин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПАРАМЕТРА ГЕЛИО-И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Для эффективного энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей рассматривается качественно новая система комплексного энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Возобновляемая энергия является дополнительным источником. Тогда разрабатываемая система энергоснабжения должна обеспечить потребную энергию с минимальными затратами. Для этого исследуются параметры энергоустановки, преобразующие солнечную и ветровую энергии. Решение целевой функции позволило впервые получить аналитическое выражение для определения оптимальной площади энергоустановки.

Для повышения эффективности энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей необходимо совершенствовать существующую систему энергоснабжения. Для этого предлагается использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которые замещают органическое топливо. При этом наиболее перспективными являются источники с использованием солнечной и ветровой энергии.

ВИЭ рассматривается как дополнительный источник в существующей традиционной системе энергоснабжения. В результате совмещения появляется качественно новая система комплексного энергоснабжения.

Для эффективного энергообеспечения в новой системе энергоснабжения необходимо минимизировать всевозможные затраты. Тогда целевая функция, стоимость энергии, вырабатываемой системой комплексного энергоснабжения, должна быть минимальной [1]:

с = С / + ст (1 I) ^ тт , где св и ст - соответственно стоимость энергии от возобновляемого и традиционного источников; f - коэффициент замещения, показывающий долю потребной энергии, замещаемой возобновляемым источником.

Использование возобновляемой энергии в системе комплексного энергоснабжения возможно при условии:

| Св < Ст

| Т < Т '

^ ок сл

где Ток ,Тсл - соответственно сроки окупаемости и службы подсистемы, использующей ВИЭ.

В настоящее время цены на энергоносители подвержены постоянному росту. В России они различны по регионам и прежде всего зависят от наличия энергоносителя в данной местности, определяющего затраты на транспортировку топлива. Поэтому условия использования возобновляемых источников энергии зависит как от местных климатических условий, так и социально-экономических условий развития региона.

Стоимость преобразованной возобновляемой энергии (св) и срок окупаемости подсистемы ВИЭ за-

висят от совершенства технических решений и технологий использования возобновляемой энергии. Технология использования ВИЭ зависит от режимов поступления и потребления возобновляемой энергии, т.е. от условий согласования возобновляемого источника с потребителем.

Экономический эффект в рассматриваемой системе комплексного энергоснабжения ожидается за счет снижения стоимости энергии:

Э = К - с)£п,

где Qп - потребная энергия.

При достижении экономического эффекта необходимо, чтобы дополнительные капиталовложения в существующую традиционную систему энергоснабжения окупились в установленные сроки. Тогда в качестве экономической характеристики в исследуемой системе комплексного энергоснабжения следует рассматривать и срок окупаемости дополнительных капиталовложений.

Срок окупаемости дополнительных капиталовложений в систему комплексного энергоснабжения определяется как:

К

Т„, =

(с - с)0

\ т '

Эффективность исследуемой системы комплексного энергоснабжения непосредственно связана с использованием возобновляемых источников. Поэтому отдельно для подсистемы, использующей ВИЭ, можно определить сравнительный экономический эффект, который ожидается в результате дохода от продажи энергии, полученной за год работы энергоустановки, за вычетом издержек на ее эксплуатацию Зуд [2]:

эвиэ = (ст е п! - ЗудА ), руб/год

где А - площадь гелиоустановки, или ометаемая площадь ветроколеса.

Как видим, сравнительный экономический эффект зависит от площади энергоустановки, которая рассматривается как основной параметр. В течение года для каждого месяца требуется своя площадь, которая изменяется в пределах от минимальной Ао до максимальной Ат ввиду изменчивости поступающей возобновляемой и необходимой потребной энергии [2]. Поэтому необходимо выбрать конкретную площадь энергоустановки ГЭУ и ВЭУ.

На рис.1 представлены примеры зависимости годового экономического эффекта от основных параметров гелиоэнергетической (ГЭУ) и ветроэнергетической (ВЭУ) установок при различных затратах на традиционный и возобновляемый источники энергии. Из приведенных данных следует, что при определенных значениях площади ГЭУ (Аск) и и ветроколеса ВЭУ (Авк) величина экономического эффекта достигает максимума. Эти значения являются оптимальными и имеют тенденцию к увеличению с ростом затрат на замещаемую энергию и уменьшением капиталовложений на ГЭУ и ВЭУ.

ЭВЭУ

> РУб

160

140 120 100 80 60 40 20 0

8 Авк, м2

Рис. 1. Зависимость экономического эффекта ГЭУ от площади солнечных коллекторов и ВЭУ от ометаемой площади ветроколеса

Величина сравнительной эффективности при некоторых значениях площади солнечных коллекторов или ометаемой площади ветроколеса обращается в ноль или вовсе может принять отрицательное значение. В первом случае при использовании ГЭУ и ВЭУ выручка от сэкономленного топлива полностью покрывает

0

2

4

6

издержки на эксплуатацию энергоустановок. Во втором случае использование возобновляемых источников считается нецелесообразной.

Поскольку срок окупаемости зависит от величины ожидаемого экономического эффекта, то из-за его незначительности энергоустановка может вовсе не окупиться в течение срока службы. Тогда наряду со сравнительной эффективностью подсистемы ВИЭ необходимо исследовать срок окупаемости капиталовложений. Срок окупаемости капиталовложения на использование возобновляемых источников энергии зависит от величины ожидаемого экономического эффекта:

Т„„ =

К,

С т 0 п I - 3 в

где Квиэ - капиталовложение на использование возобновляемой энергии.

Таким образом, ожидаемый сравнительный экономический эффект подсистемы ВИЭ и срок окупаемости капиталовложений являются основными экономическими характеристиками и зависят от полезной выработки энергоустановки ГЭУ и ВЭУ и необходимых на них затрат, которые, в конечном счете, определяют долю замещения и стоимость преобразованной возобновляемой энергии. Определяющим фактором полезной выработки от ВИЭ и необходимых затрат на их использование является площадь энергоустановки.

Ежегодные затраты на использование возобновляемой энергии можно представить через капиталовложения на удельную площадь ГЭУ или ометаемую площадь ветроколеса ВЭУ [3]:

3 _ и у квиэА

виэ виэ / виэ уд виэ ’

где ив - суммарное отчисление от капиталовложения на энергоустановку в годовой эксплуатационный расход; Yвэy - коэффициент, учитывающий стоимость строительно-монтажных работ и дополнительного оборудования.

Тогда стоимость полезной энергии, вырабатываемой ГЭУ или ВЭУ,

К

= и у ——А , кВт ч.

“ бп / ап / в

В приведенном выражении с ростом площади энергоустановки затраты на нее (числитель) растут быстрее, чем полезная выработка (знаменатель), а значит существует экстремум функции. Тогда площадь ГЭУ или ВЭУ нельзя выбирать произвольно, она должна быть оптимальной. При этом выбор площади энергоустановки должен быть подчинен конечной цели, когда ожидается минимальная стоимость энергии в системе комплексного энергоснабжения.

Тогда для исследования оптимальной площади ГЭУ или ВЭУ представим целевую функцию в виде:

К.

с = ивГе

-^А, + стК> (^),

Оп

где Коб - коэффициент энергообеспечения; p(SvV) - интегральная обеспеченность солнечного сияния S или скорости ветра V.

Коэффициент энергообеспечения представим в общем виде как:

ТГ6 _

К об

1 - (1 )е

а

а-а

А?

где а - коэффициент, показывающий отношение текущей площади к максимальной а = А/Ат ; А1в - поправочный коэффициент, учитывающий условия обеспечения качества тепловой энергии. Для ВЭУ - А1в = 1. Тогда, представив площадь энергоустановки относительно максимальной Ат, получим:

Кв

с _ ивув От аАт +Ст - с

Оп

ґ

а

\

а

с /

В дальнейшем необходимо исследовать приведенное выражение стоимости энергии на экстремум. Минимум стоимости энергии и оптимальное аопт будут иметь место, когда первая производная равна нулю, а вторая - положительная.

в

а-а.

о

а-а

о

Дифференцируя выражение, получим:

йс

кв

~Г = + с,, мш р($хУ)

йа 2П

і-а

а

с У

V ас -Оо У

а-а0 ас-ао

и У

вів

КудАт ас ао

Кр^уУ) с„2п 1

а

а

После несложных преобразований находим

-(а-ао )=(ас - ао )Ь

мв р (^У ) ст ^ 1 _

Тогда окончательно получим оптимальную величину:

и.7. КУд Ат (ас -ао )

а

а„

а

ао) Ьп

и у

в / в

КУдА, (ас -ао)

Чр(^У ) сшйп

Вторая производная

й2 с йа2

= с,Аівр(5уУ)

і-а

а

.г

с У

1 -а а

1

(ас -ао)2

больше нуля для всех значений а, поэтому получено условие минимума.

По величине а можно установить оптимальную площадь энергоустановки:

Аопт = Ао - (Ас - Ао )^П

______^ А

А і в р (БУУ ) ст а п с

и у

вів

Таким образом, исследование функции на минимум стоимости вырабатываемой энергии позволило получить аналитическое выражение для определения оптимальной величины основного параметра энергоустановки. Полученное выражение площади энергоустановки представлено в общем виде.

Анализ данного выражения показывает, что со снижением удельного капиталовложения на энергоустановку или с ростом стоимости энергии от традиционного источника величина оптимальной площади растет и становится все больше относительно минимальной площади Ао. Выполнение последнего условия показывает о возможности эффективного использования возобновляемой энергии.

В случае, когда Аопт=Ао, еще целесообразно использование возобновляемой энергии. При Аопт<Ао использование возобновляемых источников энергии становится неэффективным в составе системы комплексного энергоснабжения.

Условия эффективного энергообеспечения с использованием солнечной или ветровой энергии зависят в основном от капиталовложения на энергоустановки ГЭУ и ВЭУ и стоимости традиционной энергии. Величина оптимальной площади зависит от соотношения этих величин. При использовании ВИЭ положительный эффект (Эср > 0) ожидается когда

> А„

Тогда, согласно полученному выражению, позволяющему определить оптимальную площадь энергоустановки, необходимо выполнение условий:

0 <

и у

вів

к:

-А„ < 1

а-а

1

а -а

0

е

и

е

а опт = ао

а-а

а-а

е

опт

Для эффективного использования возобновляемой энергии величина под натуральным логарифмом должна быть всегда меньше единицы.

По данному условию при прочих равных условиях можно определить допустимую величину капиталовложения или стоимости традиционной энергии. Если

й,/а„=&„,

то

иеїе Куд

в

< 1.

Ст 0в.уд

Тогда величина удельного капиталовложения на энергоустановку не должна превышать

с О с

Кв < т ^-П _ ^т О

уд и у А и у в

в > в с в > в

уд

Допустимая величина удельного капиталовложения зависит от условий выработки полезной энергии энергоустановкой ГЭУ или ВЭУ в течение рассматриваемого срока и стоимости замещаемой энергии. С другой стороны, по заданной величине удельного капиталовложения можно установить минимальную стоимость традиционной энергии, когда эффективно использование возобновляемой энергии:

К

с > и у —— .

т — в' 6 ГЛ

0в. уд

При выполнении вышеприведенных условий можно определить оптимальные площади ГЭУ или ВЭУ, обеспечивающие положительный экономический эффект:

Э > 0.

ср

Ожидаемый положительный экономический эффект показывает лишь целесообразность использования возобновляемой энергии, а срок окупаемости понесенных затрат - насколько эффективно использование возобновляемой энергии. Тогда необходимо определить срок окупаемости при ожидаемом экономическом эффекте и сравнить его со сроком службы энергоустановки. Для этого перепишем условие срока окупаемости энергоустановки:

К в

Т в уд — т

ок _ ~с~й - Зв, — СЛ

т ^ в.уд уд

и после несложных преобразований

в в т в сл уд

Тогда по сроку окупаемости величина удельного капиталовложения на энергоустановку не должна превышать

с

Кв — т____0

.уд — 1 0в.уд.

-----+ и у

вв

сл

Энергоустановка с заданным удельным капиталовложением окупается в течение срока службы, если стоимость традиционной энергии превысит

К1, ( 1 1

С > *

Ов уд Т

------------+ и у

лт-т в * в

в * в

в.уд V Т сл У

Анализ приведенных условий показывает, что для эффективного использования возобновляемой энергии допустимые удельные затраты на энергоустановку и стоимость традиционной энергии отличаются от условий, полученных по сравнительной экономической эффективности. При оптимальной площади ГЭУ и ВЭУ и допустимых значениях удельного капиталовложения и стоимости замещаемой энергии следует ожи-

дать существенный экономический эффект, который позволит энергоустановкам окупиться в течение срока службы.

Допустимые максимальные удельные затраты на энергоустановку и минимальная стоимость традиционной энергии зависят от многих факторов. Главное из них - условие выработки полезной энергии от возобновляемого источника в результате согласования оптимального режима энергообеспечения.

Для анализа допустимых значений удельного капиталовложения и стоимости традиционной энергии рассмотрены разные варианты энергообеспечения. Поскольку оптимальная площадь энергоустановки оценивается относительно минимальной площади Ао, все исследования предлагается вести относительно нее.

Все расчеты относительно минимальной площади являются предварительными для определения допустимых значений удельного капиталовложения и стоимости традиционной энергии. Если эти величины в действительности будут в пределах допустимых значений, появляется возможность поиска оптимальной площади энергоустановки. Удобство данного подхода заключается еще в том, что при минимальной площади энергоустановки вся вырабатываемая энергия полностью используется потребителем.

Для исследования допустимых параметров в качестве исходной величины принимается количество полезно вырабатываемой энергии с удельной площади энергоустановки. Допустимые величины удельного капиталовложения и стоимости традиционной энергии определяются относительно друг друга и можно задаться одной величиной, чтобы определить другую.

На рис. 2 приведены результаты исследований допустимых капиталовложений при различной стоимости замещаемой традиционной энергии.

Рис. 2. Допустимые капиталовложения на энергоустановку в зависимости от ожидаемой выработки энергии от ВИЭ

Анализ приведенных данных показывает, что допустимые значения капиталовложений на использование ВИЭ следует определять с учетом срока службы энергоустановки. В целом, когда использование возобновляемых источников выгодно только по сравнительной эффективности, следует ожидать большой срок окупаемости энергоустановки. Тогда для эффективного использования возобновляемой энергии необходима финансовая поддержка, с помощью которой на 30-35% следует компенсировать стоимость выработанной энергии.

В условиях Южного Урала по изложенной методике исследованы технико-экономические показатели гелиоэнергетической и ветроэнергетической установки. При этом определены оптимальные площади ГЭУ и ВЭУ, обеспечивающие минимальную стоимость энергии в системе комплексного энергоснабжения. В качестве примера рассмотрен вариант использования ГЭУ и ВЭУ с апреля по октябрь для замещения потребной энергии 20000 кВт ч.

Результаты исследования представлены на рис. 3 в виде зависимости ожидаемой стоимости энергии от площади энергоустановки. Приведенные зависимости наглядно показывают изменения ожидаемой стоимости энергии и минимальному значению соответствует оптимальная площадь энергоустановки.

ГЭУ

ВЭУ

с,

руб/кВтч

2.50 -

2,00 -

1.50 -1,00 -0,50 -0,00 -

Ст=2 руб/кВтч

с0

руб/кВтч

1

ч 2

,х 3

0 20 40 60 80 100 А,кв.м

1 - 2000 руб/кв.м; 2 - 1500 руб/кв.м; 3 -1000 руб/кв.м. 1 _ 4500 руб/кв.м; 2 - 4000 руб/кв.м; 3 -3000 руб/кв.м.

Рис. 3. Зависимость стоимости энергии в системе энергоснабжения от площади энергоустановки

При проектировании системы энергоснабжения не всегда удается подобрать ГЭУ и ВЭУ, площади которых в точности соответствовали бы предложенным оптимальным значениям. Для этого исследованы влияние отклонений площади от оптимального значения на стоимость вырабатываемой энергии. На рис. 4 представлена разностная функция прироста стоимости энергии R(C;d), d = А - Аопт.

Я(С;с1),

р/кВтч

0,7 -I

-40 -30 -20 -10 0 10 20

1 - 2000 р/кв.м; 2 -1000 р/кв.м

30

Я(С;С),

р/кВтч

0,25

Ст =6 р/кВтч

л 0,20

\ 0,1 5 - 1

у>2

\ 0,10-

0,05

м-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Ь, кв.м

1 - 4000 р/кв.м; 2 - 3000 р/кв.м

Рис. 4. Разностная функция прироста стоимости энергии, вырабатываемой системой при отклонении площади энергоустановки от оптимального значения

Во всех случаях, независимо от вида энергоустановки, при d = 10 м2 не отмечается существенный прирост стоимости энергии и система энергоснабжения не чувствует изменения площади установки. При дальнейших отклонениях площади энергоустановки от оптимального значения происходит прирост стоимости энергии. Причем при росте площади энергоустановки относительно оптимальной прирост ожидается меньше, чем при меньшей площади.

Степень нарастания разностной функции прироста зависит от величины удельного капиталовложения на энергоустановку. Причем, чем больше затрат на энергоустановку, тем выше степень нарастания разностной функции. Таким образом, если невозможно подобрать энергоустановку с расчетной оптимальной площадью, то необходимо выбрать установку с завышенной площадью.

Таким образом, исследование целевой функции, стоимости энергии от системы комплексного энергоснабжения позволило получить аналитическое выражение для определения оптимальной площади энергоустановки. Для эффективного использования возобновляемой энергии получены условия, позволяющие

1

2

определить предельно допустимые значения капиталовложения на энергоустановки и стоимости замещаемой энергии.

Литература

1. Шерьязов, С.К. Обоснование эффективной системы энергоснабжения с использованием возобновляемой энергии / С.К. Шерьязов // Ползуновский вестн. АлтГТУ. - 2006. - Вып. 4. - №2. - С. 434-439.

2. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: учеб. пособие для вузов / Л.А. Саплин, С.К. Шерьязов, О.С. Пташкина-Гирина [и др.]; под общ. ред. Л.А. Саплина. - Челябинск, 2000. - 194 с.

3. Ахметжанов, Р.А. Повышение эффективности использования солнечной и ветровой энергии для теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Р.А. Ахметжанов. -Челябинск: Изд-во ЧГАУ, 2005. - 23 с.

-----------♦'------------

УДК 631.37.045 С.К. Шерьязов, А.А. Аверин

ОЦЕНКА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕННОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЯ ЗА СЧЕТ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА

Энергообеспечение сельскохозяйственных потребителей требует рационального использования энергетических ресурсов. При этом большое значение приобретает привлечение возобновляемых источников энергии в систему энергоснабжения. Возобновляемые источники должны быть использованы эффективно, путем правильной оценки условий энергообеспечения. В статье впервые приводится методика оценки энергообеспеченности потребителя от возобновляемой энергии. Для этого получено аналитическое выражение критерия энергообеспеченности.

Энергосбережение и эффективность энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей зависит от многих факторов. В числе основных является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). При этом наиболее перспективными по доступности являются энергии Солнца и ветрового потока.

В настоящее время в мире накоплен опыт по использованию солнечной и ветровой энергии. В условиях развитой гелио- и ветротехники необходимо исследовать условия использования возобновляемых источников и разработать методы оценки энергообеспечения потребителей от ВИЭ.

Вырабатываемая энергия гелио- или ветроэнергетической установкой (ГЭУ, ВЭУ) непостоянна в течение рассматриваемого промежутка времени (года, месяца, суток) вследствии изменчивости поступающей солнечной и ветровой энергии. При этом выработка энергии зависит от параметров энергоустановок. В качестве основных параметров ГЭУ рассматривается площадь и угол наклона солнечных коллекторов, а для ВЭУ - ометаемая площадь ветроколеса и расчетная скорость ветра ВЭУ.

Потребная энергия - следующий фактор, определяющий условия использования ВИЭ. При этом имеет значение, как количество потребной энергии, так и соотношение потребной электрической и тепловой энергии. Эти показатели меняются в течение рассматриваемого периода в соответствии с графиком нагрузки.

Соотношение тепловой и электрической энергии влияет на параметры выбираемой ветроустановки, так как ВЭУ может использоваться для выработки, как электрической, так и тепловой энергии. При скорости ветра V меньшей расчетной ВЭУ (Ур) ветроустановка вырабатывает некачественную энергию, которая может использоваться для теплоснабжения, а при V большей, или равной Vр, вырабатывается качественная энергия, которая может использоваться и для электроснабжения потребителей, требующих электроэнергию стандартного качества.

Выбор основных параметров ГЭУ и ВЭУ производится по вырабатываемой энергии, соответствующей потребляемой, за рассматриваемый период. При этом тепловая энергия, вырабатываемая солнечной установкой, определяется для средних условий рассматриваемого месяца. Дневная, среднемесячная выработка энергии с единицы площади ГЭУ определяется по выражению: