Критерии оптимизации системы автономного электроснабжения с использованием технологий возобновляемой энергетики

Аннотация

В данной работе предложен метод расчетов автономного комплекса энергоснабжения – это задача многокритериальной оптимизации. Оптимальным является решение задачи проектирования эффективной автономной системы электроснабжения, путём применения методов моделирования и оптимизации, опирающихся на современные компьютерные технологии.

Основные понятия, допущения и определения

Эффективность электрогенерирующего комплекса, в общем случае, определяется целым набор показателей, характеризующих его работоспособность, надёжность и экономичность. Полагая систему электроснабжения автономного потребителя, представленную на рис . 1, замкнутой, можно утверждать, что сумма мощностей источников электрической энергии должна быть равна сумме мощностей, расходуемых в приёмниках этой энергии за вычетом потерь вследствие её передачи и различного рода преобразований. Источниками энергии в данной системе являются устройства, использующие энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока для генерации электрического тока. Приёмники – потребитель и балластное сопротивление. Система аккумулирования электроэнергии, может выступать как в роли её источника, так и приёмника. Решение задачи проектирования действительно эффективной автономной системы электроснабжения, может быть осуществлено путём применения методов моделирования и оптимизации, опирающихся на современные компьютерные технологии. В результате исследований, были установлены две группы критериев, определяющих эффективность автономного энергетического комплекса на базе технологий альтернативной энергетики: экономические и энергетические. В качестве единственного критерия экономической эффективности электрогенерирующего комплекса обеспечивающего электроснабжение автономного потребителя с использованием преобразования энергии ветра, солнечного излучения и водяного потока логично принять стоимость этих устройств, включающую их доставку, монтаж и ввод в эксплуатацию (С ).

Суммарную стоимость оборудования автономной системы электроснабжения, с учётом его установки, можно представить в виде:

где С в , С с , С г и С а – стоимость ветро -, фото-, гидроэнергетической установки и аккумулирующего устройства, а N в , N с , N г и N а , соответственно, их количество. Значения параметров N в , N с , N г и N а определяют структуру электрогенерирующего комплекса, то есть наличие или отсутствие генерирующих устройств.

Стоимость ветроэнергетической установки (ВЭУ) зависит от её мощности (диаметра ветроколеса), высоты и конструкции мачты, а так же включает в себя некоторую долю стоимости дополнительного оборудования. Стоимость фотоэлектрической установки (ФЭУ) определяется стоимостью панели с учетом систем управления её ориентации и концентрации. Стоимость гидроэлектростанции (ГЭС), аналогично ВЭУ, зависит от его конструкции, мощности и высоты плотины. В дальнейшем будем полагать, что:

Сгде а в , b в , c в , d в – эмпирические коэффициенты, определяющие стоимость ВЭУ в зависимости от его конструкции, мощности и высоты установки; D в , h в – диаметр ветроколеса и высота мачты; С д – стоимость дополнительного оборудования; а с – стоимость одной панели с учётом систем управления её ориентации и концентрации; а г , b г , c г , d г – эмпирические коэффициенты, определяющие стоимость ГЭС в зависимости от его конструкции, мощности и высоты плотины; D г , h г – диаметр рабочего колеса (или площадь для свободнопоточных ГЭС) и высота плотины (или стоимость других гидрологических сооружений); С д – стоимость дополнительного оборудования.

К критериям энергетической эффективности можно отнести: максимальную суммарную мощность генерирующих устройств комплекса (P ), расположенного на заданной территории; минимальное значение суммарной мощности, рассеянной балластным сопротивлением ( Pб ), при выполнении условия работоспособности электрогенерирующего комплекса.

Выбор в качестве показателя эффективности первого из энергетических критериев может быть использован на этапе выполнения работ, связанных с принятием решений по созданию автономных предприятий (потребителей) на заданной территории в той или иной географической точке местности. Применение второго критерия целесообразно в ситуациях, когда параметры энергетических затрат потребителя определены. Суммарная мощность P6 на временном отрезке Т:

где N в , N с , N г – количество ветродвигателей, солнечных панелей и гидрогенераторов; а в , с г – плотность воздуха и воды; S в , S г – площади ветроколеса и рабочего колеса гидротурбины; а вд , b сп , c гг – к. п. д. ветродвигателя (ветроколесо, редуктор, генератор и др.), солнечной панели (ФЭП, концентратор, система слежения и др.), гидрогенератора (гидротурбины, генератора и др.); а в , b с , c г – к. п. д. линий электропередач, систем коммуникации, стабилизации и др., соответственно для ветродвигателей, солнечных панелей и гидрогенераторов; V в , V г – скорости ветра и водяного потока; R c – текущая суммарная мощность солнечного излучения (прямого, отражённого и рассеянного) в фокусирующей плоскости.

Суммарная мощность, рассеянная балластным сопротивлением на временном отрезке Т, определяется зависимостью:

Эффективность системы автономного электроснабжения, как показали исследования, определяется значениями двух основных критериев: стоимости и мощности энергокомплекса . Расчёт автономного комплекса энергоснабжения – это задача многокритериальной оптимизации. Оптимальным является решение задачи проектирования эффективной автономной системы электроснабжения, путём применения методов моделирования и оптимизации, опирающихся на современные компьютерные технологии.

Выводы

как показали исследования, определяется значениями двух основных критериев: стоимости и мощности энергокомплекса . Расчёт автономного комплекса энергоснабжения – это задача многокритериальной оптимизации. Оптимальным является решение задачи проектирования эффективной автономной системы электроснабжения, путём применения методов моделирования и оптимизации, опирающихся на современные компьютерные технологии.

Список использованной литературы

1. Телегин В. В. Компьютерное моделирование эффективности использования систем альтернативной энергетики / В. В. Телегин // Естественные и технические науки. – 2012 . – № 5 (61). – С. 309–312.
2. Шпиганович А. Н. Энергосбережение с использованием автономных источников на базе технологий альтернативной энергетики / А. Н. Шпиганович , В. В. Телегин // Вести высших учебных заведений Черноземья. – 2011. – № 4 (26) . – С. 16–21.
3. Телегин В. В. Параметры автономных систем энергоснабжения на базе альтернативных источников энергии / В. В. Телегин, А. Н. Шпиганович // Сборник докладов V Междунар . науч.-практ . заоч . конф . «Энергетика и энергоэффективные технологии». – Липецк: ЛГТУ, 2012. – С. 98–100.