Оценка энергообеспеченности потребителя за счет возобновляемого источника Текст научной статьи по специальности «Физика»

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:

= Fr • [H • (Та) • R -ULS(Tcp -Т0) • 3.6 10-3], МДж/м2 (1)

или

S _

;;0 = Fr .[Ho •(а+Ь -)• R(a)-UST-То)3.61С-3] , МДж/м2 , (2)

S0

S(

где Fr - коэффициент, связанный с эффективностью переноса тепла от пластины коллектора к жидкости, отводящей тепло; (Та) - приведенная поглощательная способность, учитывающая результирующее влияние оптических свойств материалов коллектора; Ul - коэффициент тепловых потерь, учитывающий возможные суммарные потери с единицы площади коллектора; S - дневная среднемесячная продолжительность солнечного сияния; Н - среднемесячная суммарная солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность плоскости коллектора; R - отношение среднемесячных дневных приходов суммарной энергии на наклонную и горизонтальную поверхности; Тср - средняя температура теплоносителя в коллекторе; То - температура окружающей среды; Но - эталонное (условное) значение суммарной энергии; So -возможная продолжительность солнечного сияния, ч; а и b - постоянные коэффициенты.

Вырабатываемую ветроустановкой энергию также можно представить через удельные показатели. Тогда возможное количество энергии с удельной ометаемой площади ветроустановки за сутки рассматриваемого месяца можно определить по выражению

V

* max

йд:.уд =в 24• jV3 • t.tvdv , МДж/м2 , (3)

V ■

* min

где в - постоянный коэффициент; Vmin - скорость ветра, при которой ветроколесо начинает вращаться, м/с; Vmax - скорость ветра, выше которой становится критической для ветроустановки, м/с; t*v - относительная повторяемость скорости ветра в рассматриваемом месяце.

Потребная площадь энергоустановки определяется как:

A = -®^-, (4)

Q д

х^д. уд

где Qn - потребная энергия, МДж.

При этом необходимая площадь ГЭУ или ВЭУ в течение рассматриваемого периода (год, сезон) может изменяться в широких пределах от минимальной Ао до максимальной Ам. Тогда при выборе определенной площади гелиоустановки и ветроколеса ветроустановки в отдельные месяцы года или сезона можно

ожидать выработку больше или меньше потребной энергии и полезно используемая энергия от ВЭУ или ГЭУ

определяется из условия:

Q = ÍQ„ при Qn < Qd

Qnon I ^ n>>n

Q nPU Qn ^ Qd

В i-м месяце рассматриваемого периода при площади Ai можно обеспечить определенную долю суточной потребной энергии. Для оценки этой доли вводится критерий энергообеспеченности потребителя Коб, показывающий обеспеченность потребителя полезной энергией за сутки от ВИЭ. Коэффициент Коб можно выразить как отношение полезно используемой энергии к потребной энергии в i-м месяце:

Qc

км = Q1- . (6)

Qn.i

Долю замещаемой энергии за месяц следует определять с учетом изменчивости поступающей возобновляемой энергии. Тогда доля замещаемой потребной энергии в i-м месяце:

f = Коб1 • р (S V V), (7)

где р (S V V) - вероятность ожидаемой продолжительности солнечного сияния или скорости ветра, обеспечивающей суточную выработку в i-м месяце.

Коэффициент замещения является интегральным показателем и следует его определить за весь период (год, сезон). Тогда для удобства лучше определить среднее значение коэффициента обеспеченности за рассматриваемый период:

1 n 1 n

f = -• Z f = -• ZКоб1 • pt(S V V). (8)

n i=i n i=1

Коэффициент энергообеспеченности зависит от площади энергоустановки. В настоящее время отсутствует аналитическое выражение, характеризующее данную зависимость. Поэтому исследуется зависимость Коб = ^А), представленная на рис. 1 [1].

Для исследования данной зависимости выделим характерные точки Ао и Ам - соответственно потребная наименьшая и наибольшая площади энергоустановки за рассматриваемый период; Кобо - коэффициент обеспеченности при использовании установки с площадью Ао; Кобм - коэффициент обеспеченности при площади Ам.

Рис. 1. Зависимость коэффициента обеспеченности от площади установки

Приведенную зависимость можно разделить на 2 участка:

1) 0< Коб < Кобо при А<Ао;

2) Кобо< Коб < Кобм при Ао<А<Ам.

На первом участке зависимость носит линейный характер. Это объясняется тем, что при площади А<Ао вырабатываемая установкой энергия полностью используется потребителем и Коб определяется по выражению

А , (9)

п

Ё е и,

Коб =

где Z Qeydi, Z Qni - соответственно суммарная вырабатываемая удельная и потребная энергии за i=1 i=1

рассматриваемый период в течение n месяцев, кВт-ч.

На втором участке с ростом площади энергоустановки Коб растет и асимптотически приближается к максимальному значению. При площади установки А>Ао в отдельные моменты времени возможны излишки энергии, которые не используются потребителем и теряются, снижая эффективность установки. На рис. 2 представлено изменение коэффициента обеспеченности с потерей энергии и без потерь. При этом за начало системы отсчета принята точка с координатами (Ао; Кобо).

В идеальном случае при отсутствии потерь энергии коэффициент обеспеченности достиг бы максимального значения при площади Ас. Площадь Ас можно определить из выражения (9) при условии максимального энергообеспечения:

n

Z Q.i

А, =Н=----------Кб.. (10)

eydi

=1

Рис. 2. Зависимость коэффициента обеспеченности от площади, когда А>Ао:

1 - изменение коэффициента обеспеченности при наличии потерь энергии;

2 - изменение коэффициента обеспеченности при отсутствии потерь энергии

В действительности следует ожидать излишки и потери энергии. При этом с ростом площади энергоустановки А относительно Ао скорость изменения коэффициента обеспеченности пропорциональна разнице (Кобм-Коб).

Тогда

Ж ' = ь ■ (Коб. - КоС).

об

-ь( А-Ао)

(11)

(12)

й(А - Д})

Решением дифференциального уравнения является

Коб = Кобм - С

где С, Ь - постоянные коэффициенты.

Для определения постоянных коэффициентов зададимся начальными условиями: А=Ао, Коб=Кобо. Тогда

Кобо = Кобм - Се-(^ (13)

Выполнив соответствующие преобразования, определим постоянную интегрирования:

С = Кобм - Коб0 . (14)

Коэффициент Ь определяется тангенсом угла наклона касательной, который является первой производной функции в точке проведения касательной. Для определения коэффициента Ь продифференцируем

выражение (11) и, подставив выражение (14), получим:

йК,

об

-Ь ■ (А-Ао)

= (Кобм - Коб )■ ь ■

й(А - Ао)

Определим значение производной в точке (Ао; Кобо):

йК°б = ге0 = (Кобм - Коб )■ ь,

й (А - Ао)

где в - угол наклона касательной в точке (Ао; Кобо).

Согласно рис. 2, тангенс угла наклона касательной в точке (Ао; Кобо) можно определить как:

К - К

чв = — обм_______об 0

(15)

(16)

Подставив (17) в (16) и выразив Ь, получим:

о

с

1

Ь =

Ас- А)

Тогда аналитическое выражение коэффициента обеспеченности:

(18)

Коб = Кобм - (Кобм

(А-Ао) (А - Ао)

-Коб))-е^~Ло> . (19)

Для удобства и универсальности вычислений выразим площадь в относительных единицах а = А/Ам и окончательно получим:

Коб = Кобм

(Кобм - Коб0)- е

(«-«о)

(ас -а))

(20)

где а, ао, ас - соответствующие площади в относительных единицах.

Для проверки аналитического выражения коэффициента обеспеченности сравниваются результаты расчета с ранее полученными данными, приведенными в [1]. Сравнительные результаты приведены на рис. 3.

Коб

1,00 -

0,80 -

0,00 -

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

+ год ■ март-октябрь А май-август

а

А/Ам

0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

Ф год а март-октябрь ■ май-август

А/Ам

б

Рис. 3. Сравнительные результаты зависимости коэффициента обеспеченности от площади энергоустановки: а - ГЭУ; б - ВЭУ

Сравнительный анализ показывает на достаточно хорошую по критерию х2 сходимость приведенных в [1] данных и результатов, полученных по предложенному аналитическому выражению.

Таким образом, полученное аналитическое выражение может быть использовано для определения коэффициента обеспеченности. Для этого необходимо знать суммарные потребную и вырабатываемую установкой энергии, по которым определяются Ао, Ам и Ас.

Литература

1. 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.

2. Дифференциальное и интегральное исчисления: учеб. пособие для втузов / Н.С. Пискунов. - 8-е изд. -М.: Наука, 1968. - 552 с.

0,60

0,40

0,20

0,30

1,00