CC BY
12
УДК 004.9:620.9 ББК 32.373 Р 31
Бучацкий Павел Юрьевич
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: [email protected] Теплоухов Семен Васильевич
Старший преподаватель кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: [email protected] Онищенко Стефан Владимирович
Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: stefan.onishchenko@mail. ru Платонов Антон Сергеевич
Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: [email protected] Авджиян Артем Андреевич
Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп,
e-mail: [email protected]
Авдеев Владислав Евгеньевич
Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: [email protected]
Реализация программно-аппаратного комплекса для оценки энергетического потенциала возобновляемых источников энергии
(Рецензирована)
Аннотация. Рассмотрен подход к созданию программно-аппаратного комплекса для получения метеорологических данных. Реализован прибор для получения данных о скорости ветра, рассмотрено программное обеспечение для их обработки. На основе полученных результатов возможно составление рекомендаций по подбору наиболее оптимальной системы энергоснабжения, использующей возобновляемые источники энергии.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, оценка энергетического потенциала возобновляемых источников, анализ данных.
Buchatsky Pavel Yuryevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593911, e-mail: [email protected] Teploukhov Semen Vasilyevich
Senior Lecturer of Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593911, e-mail: [email protected] Onishchenko Stefan Vladimirovich
Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: [email protected] Platonov Anton Sergeevich
Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: [email protected] Avdzhiyan Artem Andreevich
Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: [email protected]
Avdeev Vladislav Evgenyevich
Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: [email protected]
Implementation of the power assessment appliance for renewable energy sources
Abstract. The work deals with the approach to the creation of a software and hardware complex for obtaining meteorological data. A device for obtaining data on wind speed is implemented, software for their processing is considered. Based on the results obtained, it is possible to draw up recommendations for the selection of the best energy supply system using renewable energy sources.
Keywords: renewable energy sources, evaluation of energy potential of renewable sources, data analysis.
В современном мире все более актуальным становится использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для обеспечения потребителей энергией. Обусловлено это быстрым ростом потребляемых мощностей и ограниченным количеством традиционных
энергетических ресурсов в конкретной местности. Для принятия решения об использовании альтернативных источников энергии необходимо рассчитать теоретические значения энергетического потенциала в заданном районе и затем на основании этих сведений составить рекомендации по подбору наиболее эффективной конфигурации комплексной системы энергоснабжения. Вопрос о применении таких систем энергоснабжения наиболее актуален для удаленных и труднодоступных участков местности, например, где нет доступа к линиям электропередач. Однако возникает проблема отсутствия необходимых для оценки энергетического потенциала ВИЭ метеорологических данных. Возможным решением может стать применение автономного программно-аппаратного комплекса, позволяющего получить все необходимые сведения. В работах [1, 2] приведено описание программного модуля, в котором на основе данных о расположении потребителя и сведениях о многолетних метеорологических наблюдениях рассчитываются теоретические значения приходящей солнечной радиации. Актуальными являются сведения о скорости ветра, особенно для удаленных участков, расположенных вдали от метеорологических станций, так как для них нет достаточного количества ретроспективной информации.
Для решения этой задачи был создан прибор, позволяющий производить сбор и запись данных о значениях скорости ветра - анемометр [3], удовлетворяющий следующим требованиям:
- невысокая стоимость;
- доступность и простота комплектующих;
- простота и надежность конструкции;
- приемлемая точность.
Для реализации проекта было решено использовать платформу Агёшпо, а именно плату АгёшпоЦКО, с микроконтроллером АШе1АТте§а 328, которая имеет невысокую стоимость и полностью удовлетворяет нашим требованиям. В качестве данных мы получаем информацию о количестве полуоборотов, совершенных лопастями устройства. Далее число оборотов переводится в значение скорости в м/с согласно формуле (1):
С
V = 2^лй, (1)
где V - скорость ветра, м/с; I - интервал считывания данных, с; С - число оборотов за интервал 1; ё - размах лопастей (диаметр), м;
Для наблюдения графика изменения скорости ветра в реальном времени можно воспользоваться стандартным плоттером по последовательному соединению в АгёшпоГОЕ. Однако он на данный момент обладает весьма ограниченным функционалом. Хорошим решением для наших задач явилась программа БУМопког (рис. 1) [4].
Рис. 1. Вывод графика в программе SVMonitor - 104 -
Численные значения в реальном времени можно выводить непосредственно в COM-порт устройства. Однако данный метод не решает задачу автономности, поэтому была реализована возможность записи полученных значений скорости ветра на SD-карту (рис. 2). Программный код вначале определяет, подключена ли SD-карта. Часть программного кода, отвечающая за инициализацию SD-карты и запись данных в нее:
Fileresults; voidsetup() {
if (!SD.begin(CS_pin)) { //ИнициализацияSD-карты Serial.println("initialization failed"); return; } else {
Serial.println("Wiring is correct and a card is present."); }
SD.remove("results.csv"); //Создание заголовков в файле String header = "Time; Count; Speed"; results = SD.open("results.csv", FILE_WRITE);
if (results) { results.println(header);
results.close(); }
else {
Serial.println("Couldn't open file"); }
}
voidloop(void) {
results = SD.open("results.csv", FILE_WRITE); //Записьзначенийвфайл if (results) {
String myString = Time + ";" + String(total_cnt) + ";" + String(val/cnt_val); myString.replace(".", ","); results.println(my String);
results.close(); }
}
eS
------ - ¡г.........
Рис. 2. Схема подключения
В случае успешной инициализации на карте создается файл results.csv. В этот файл в каждый момент вычисления записывается время, прошедшее после соединения (столбец Time), количество оборотов (столбец Count) и скорость ветра в м/с (столбец Speed). Записан-
ные таким образом в таблицу данные могут быть с легкостью представлены в графическом виде. В дальнейшем планируется подключения датчика освещенности, необходимого для получения сведений о формировании облачности, датчика температуры и влажности, а также модуля Wi-Fi, позволяющего удаленно передавать данные на компьютер пользователя.
Для обеспечения автономности устройства на данном этапе используется внешний аккумулятор (PowerBank). Для обеспечения полной автономности устройства на длительный период времени можно использовать аккумуляторную батарею с возможностью подзарядки от небольшой солнечной панели.
По полученным значениям скорости ветра можно рассчитать теоретическое количество вырабатываемой энергии. Удельная мощность ветрового потока представляется как ос-редненная величина за расчетный период, поэтому необходимо знать осредненную величину v3. Для этого требуется знать распределение повторяемости скорости ветра, которую можно определить для каждого месяца по данным наблюдений.
Тогда по функции распределения скорости ветра f (v) можно определить ожидаемую среднюю мощность ветрового потока за расчетный период (Вт/м2) [5]:
N о =
1 x 1
1р{ V 3f (v d = 2 My3 )cp.
(2)
Среднее значение мощности ветрового потока рекомендуется определять за сутки [5]. Тогда скорость ветра, при которой ожидается среднесуточная мощность ветрового потока, представляется как энергетическая характеристика ветра. Зависимость энергетической характеристики ветрового потока от средней скорости ветра хорошо аппроксимируется уравнением вида:
^ср.м = 1,4 + 1,Чр , (3)
где Усрм - средняя скорость ветра за месяц, м/с.
По полученным данным построены графики скорости ветра за период проведенных наблюдений и данным из открытых источников (рис. 3). По оси абсцисс откладываются временные интервалы измерений. По оси ординат - значения скорости ветра.
т-ч \ \ \ \ - Ж / Л i Iii
> г А 1
\ \А \ i \\ 1 \ i 1 \ 1 \
\Л\ / V
1 V 1 \Л КГ/ \ / / \ \ \1\/ • \ i / \ / 1 А
yi / \ У ДА V 1 А д-I-L W
* 1 \ 1' \ У М / /у <
1/ i
— Данные из открытых
источников 1 Измеренные данные
4,5
3,5
2,5
1,5
0,5
Интервалы измерений, час
Рис. 3. Данные о скорости ветра из открытых источников и полученные путем измерения устройством
Сравнение графиков показало, что устройство обеспечивает достаточную точность измерений, что в свою очередь позволяет производить дальнейшие расчеты. Различие между данными обусловлено невыгодным расположением нашего устройства, находящимся на территории университета в зоне плотной застройки.
Для расчета теоретического значения ветроэнергии за рассматриваемый период воспользуемся выражением (2). Для этого нужно рассчитать плотность воздуха по уравнению Менделеева-Клапейрона [7]:
Р = ^ (4)
ят
За рассматриваемый период средние значения температуры и давления были равны 12°С и 100 кПа соответственно. Величина плотности равна: р=1,21 кг/м3. За расчетный период значение Уср = 2,4 м/с . Подставляя полученные значения в выражение, получим:
N о = 11,21(2,43) = 8,36 Вт/м2.
Для определения адекватности полученного значения воспользуемся данными о теоретических значениях ветроэнергии [6].
Таблица 1
Зависимость мощности ветрового потока от его скорости
knV, м/с 2 3 4 5 10 14 18 20 23 25
P 1 уд Вт/м2 4,9 16,55 39,2 76,6 613 1682 3575 4904 7458 9578
Количество полученной энергии будет равно приблизительно 3,4 Вт. Следует отметить, что данные значения получены для ветроколеса, имеющего площадь лопастей всего 1 м2, а данные о скорости ветра измерялись на небольшой высоте над землей (не более 10 метров).
В дополнение к полученным сведениям, используя разработанный программный комплекс [1], можно рассчитать значение приходящей солнечной радиации в условиях конкретного местоположения потребителя. Проведены расчеты, которые для территории университета показывают среднегодовое значение в 1270 кВт-ч/м2 (рис. 4).
I] Главнее окно
Файл Настройки О программе Широта
144.604161 I
Долгота
- □ X
40.109795
Ближайший город
Майкоп
Рассчитанное значение:
Максимальное теоретическое значение солнечной радиации 1269.563843 кВатт/м2
11ЯПЯП {tfwRH Inf
= Поиск на Google Картах
Показать время в пути, пробки и места поблизости
пРрлегарсК£ 2
Круглосуточный Л :а"ул магазин т
Мрэо ГИБДД S
площадь з Ленина §
сф фС
цилия Длыгрйгкий Министерство
МЕГАПРИНТО АДЬ"^™" . здравоохранения т государственный -•-
ш Муниципг § бюдже
£
^ерс«*, уп . i
государственный ^Рвомайс^. технологический ая университет
университет Майкопский ^ §
о f
Зоомагазин-Жако \
9
Giros Q
9
УЛ ПеР0омайскач
Адыгейская >в республиканская...
Пивоваренный завод Майкопский
ГИБДД Г. Майкоп >
Ф завод
9
Мини-гостиница Сияние ^ ИЛенину
Р Гостиница и Кафе 'НАРТ"
ул. Первомайская, 208
Майкоп, Республика Адыгея, 385.. 44.604460,40.110214
Вететеоинарнч,
до * -а
I" Т т_т
■. | гс :: к: 1Г41 :и 1" i II j 8 Smjgle.201 9
Рис. 4. Расчет среднегодового значения солнечной радиации
Однако нужно обратить внимание, что эти вычисления проводились без учета облачности. Для этого в аппаратный комплекс необходимо добавить возможность получения этого показателя. Это позволит существенно повысить точность вычислений.
Таким образом, разработанный аппаратно-программный комплекс был протестирован в реальных условиях, что позволило получить данные о средней скорости ветра, на основе которых проведен расчет теоретического значения ветроэнергии. Предлагаемый комплекс необходимо модернизировать путем добавления модуля для оценки облачности, модуля Wi-Fi, а также подключения солнечной панели для повышения автономности.
Примечания:
1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018612422 Программный модуль оценки возможного вовлечения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергосистему индивидуального потребителя ("AppRE 1.0") / С.В. Теплоухов, В.С. Симанков, П.Ю. Бучацкий, В.В. Бучацкая, А.В. Шопин.
2. Симанков В.С., Бучацкий П.Ю., Теплоухов С.В. Программное приложение для оценки возможного вовлечения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергосистему индивидуального потребителя // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. 2017. Вып. 4 (211). С. 165-170. URL: http://vestnik.adygnet.ru
3. Бучацкий П.Ю., Онищенко С.В., Платонов А.С. Разработка программно-аппаратного комплекса измерения скорости ветра на платформе Ärduino // Дистанционные образовательные технологии: материалы IV Всерос. науч.-практ. конф. Ялта, 2019. 522 с.
4. GitHub: SVi-sual/SVManualRU.pdfatmasterTyill/SVisual. 2019. URL:
https://github.eom/Tyill/SVisual/blob/master/man/ru/S VManualRU.pdf (дата обращения: 10.07.2019).
5. Велькин В.И. Методология расчета комплексных систем виэ для использования на автономных объектах. Екатеринбург: УрФУ, 2015. 226 с.
6. Квитко А.В., Хицкова А.О. Характеристики ветра, особенности расчета ресурса и экономической эффективности ветровой энергетики // Научный журнал КубГАУ. 2014. № 97 (03). URL: http://ej .kubagro.ru/2014/03/pdf/08.pdf
7. Плотность идеального газа. URL: http://ru.solverbook.eom/spravoehnik/ximiya/plotnost/ plotnost-idealnogo-gaza/ (дата обращения: 20.11.2019).
References:
1. Certificate of state registration of computer program No. 2018612422 Software module for the assessment of the possible involvement of non-traditional renewable energy sources in the power system of an individual consumer ("AppRE 1.0") / S.V. Teploukhov, V.S. Simankov, P.Yu. Buchatsky, V.V. Buchatskaya, A.V. Shopin.
2. Simankov V.S., Buchatskiy P.Yu., Teploukhov S.V. Software application to evaluate the possible involvement of non-traditional renewable energy sources into the energy system of individual consumer // The Bulletin of the Adyghe State University. Ser. Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2017. Iss. 4 (211). P. 165-170. URL: http://vestnik.adygnet.ru
3. Buchatsky P.Yu., Onishchenko S.V., Platonov A.S. Development of a hardware-software complex for measuring wind speed on the Arduino platform // Ret-h mote Educational Technologies: proceedings of the 4th Russian scient. and pract. conf. Yalta, 2019. 522 pp.
4. GitHub: SVi-sual/SVManualRU.pdfatmasterTyill/SVisual. 2019. URL:
https://github.com/Tyill/SVisual/blob/master/man/ru/S VManualRU.pdf (access date: 10.07.2019).
5. Velkin V.I. Methodology for calculating integrated renewable energy systems for use on autonomous facilities. Ekaterinburg: UrFU, 2015. 226 pp.
6. Kvitko A.V., Khitskova A.O. Wind characteristics, features of the calculation of the resource and economic efficiency of wind power // Scientific Journal of KubGAU. 2014. No. 97 (03). URL: http://ej .kubagro.ru/2014/03/pdf/08.pdf
7. The density of the ideal gas. URL: http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/plotnost/ plotnost-idealnogo-gaza/ (access date: 20.11.2019).
