Методика определения оптимальных параметров энергоэффективных систем энергоснабжения

Для построения систем эффективного энергоснабжения необходима выработка основных принципов их построения, описанных выше. В настоящее время энергоснабжение осуществляется главным образом за счет использования углеводородного топлива [5]. Однако постоянный рост затрат на их добычу снижает эффективность энергообеспе­чения, и обуславливает необходимость совершенствования существующих системы энергоснабжения. Наиболее предпочтительным представляется оптимальное сочетание традиционных и возобновляемых энергоресурсов в энергоэффективных системах энергоснабжения (ЭСЭ) [6]. Для построения таких ЭСЭ в основу будет положен метод, использующий теорию оптимального управления. Недос­таточные исследования в этом направлении сдержи­вают развитие систем энергоснабжения, использую­щих МВИЭ. Построение соответствующего функционала является целью данной работы.

Предположим, что в составе ЭСЭ присутствуют как традиционные источники энергоснабжения Q_s, так и источники возобновляемых видов энергии Q_vi, причем в самом общем случае таких источников может быть несколько:

, (1)

где N число МВИЭ, k_iкоэффициент, учитывающий удельный вклад каждого МВИЭ. Таким образом, общее количество энергии поступающей от всех видов источников выразится формулой:

(2)

Далее следует отметить, что при исследовании ЭСЭ необходи­мо определить ожидаемую энергию от МВИЭ. При этом необходимо учитывать энергетические харак­теристики источника и исследовать режимы поступ­ления возобновляемой энергии. Обязательным усло­вием является учет случайного характера поступаю­щей возобновляемой энергии. Можно предложить следующую формулу:

, (3)

где - некоторая эмпирическая функция времени, определяющая режимы поступления энергии от данного МВИЭ, - вероятностный коэффициент, учитывающий случайный характер МВИЭ, q_i - энергетические харак­теристики источника.

В качестве основного метода рационально использование расширенного комплексного применения различных видов МВИЭ (кластеров) с учетом природно-климатического потенциала определенного региона.

В зависимости от потребностей и возможностей заказчик (частные лица, мелкие производители, муниципалитеты) на удаленных территориях сам может выбрать тип кластера и соотношения по видам МВИЭ. В связи с этим мотивацией для роста интереса к МВИЭ является рост стоимости органических топлив, ограниченность их запасов на планете и объективный вектор на постепенное снижение удельных затрат при использовании МВИЭ в мире.

Для определения условий эффективного функ­ционирования ЭСЭ введем стоимостные коэффициенты G_s и G_vi единицы энергии для подсистем энерго­снабжения от традиционных и возобновляемых ис­точников соответственно. Тогда стоимость поступающей энергии выразится формулой:

(4)

В данном случае подсистема энергоснабжения от МВИЭ рассматри­вается как дополнительный источник в ЭСЭ и по­крывает только часть потребной энергии в соответствии с кластерным подходом. Пусть для полноценного функционирования потребляющего энергию объекта требуется количество энергии - . Введем коэффициент определяющий долю энергии, замещаемой возобновляе­мым источником:

(5)

Зависимость от времени в данной формуле обусловлена тем, что потребляемая энергия может быть изменчива во времени и носить случайный характер, как и сама выработка от подсистемы МВИЭ [7]. Тогда для эффектив­ного энергоснабжения от МВИЭ необходимо согласо­вание источника энергии с потребителем.

Вырабатываемая энергия зависит от параметров энергоустановок. При этом требуется исследование условий функционирования подсистемы МВИЭ в составе ЭСЭ как недостаточно изученного элемента системы, а именно важно определить те па­раметры, которые влияют на эффективность исполь­зования подсистемы МВИЭ в составе ЭСЭ.

Рассмотрим в качестве примера расчет экономической эффективности использования энергии солнечной радиации для преобразования в электрическую (ФЭП) и тепловую (СК). Используем формулу [8]:

, (6)

где

− − суммарная солнечная радиация, приходящаяся на горизонтальную поверхность вне атмосферы в единицу времени (мощность суммарной солнечной радиации);

− − суммарная солнечная радиация, приходящаяся на горизонтальную плоскость вне атмосферы;

− G₀ − солнечная постоянная вне атмосферы (1.340 Вт/м²);

− φ − географическая широта местности;

− − склонение, n − номер дня года;

− − продолжительность дня в секундах;

− − часовой угол на закате в градусах.

Вводим поправку на эллиптичность орбиты [8], тогда

, (7)

е=0,033 − эксцентриситет орбиты.

Учтем атмосферу, как препятствие, для этого введем индекс ясности К_т:

,

где Р − суммарная мощность солнечной радиации, пришедшая на горизонтальную площадку на поверхности Земли;

Мощность солнечной радиации на горизонтальную плоскость с учетом атмосферы:

. (8)

Введем угол наклона солнечной батареи β, тогда с учетом угла наклона [8]:

(9)

где:

− ρ − альбедо местности;

− P_D − доля диффузионной радиации, для нахождения которой используем формулу (1)

,

где введено обозначение:

Численные коэффициенты: А=1,39; B=4,03 C=5,53 D=3,11в соответствии с [8].

Преобразуем выражение (9):

(10)

Обозначим

,

Тогда (10) приобретает вид

, (11)

Для краткости обозначим

Тогда (11) преобразуется в:

(12)

Итак, получено выражение для − полной мощности солнечной радиации, падающей на солнечную батарею, расположенную под угол β.

Выходящая мощность электрической энергии, генерируемая солнечной батареей на поверхности Земли в конкретной географической точке:

(13)

где η_э - КПД солнечной батареи при преобразовании солнечной радиации в электрическую энергию,

с учетом (12)

(14)

Таким образом, мы получили выражение для электрической энергии, вырабатываемой солнечной батареей в единицу времени.

Стоимость этой энергии можно вычислить, если известно стоимость 1 Дж электрической энергии. Обозначим эту величину G_vэ. Тогда в рублевом денежном выражении формула (последняя) приобретет вид:

_vэ. (15)

Полученная формула определяет стоимость электрической энергии, вырабатываемой солнечной батареей в единицу времени.

Аналогично можно получить оценку при преобразовании солнечной энергии в тепловую. Для этого в формуле (13) необходимо использовать соответствующий кпд η_т, и соответствующую стоимость единицы тепловой энергии. Тогда

_vт. (16)

Введем название для полученных величин - денежные потоки при преобразовании солнечной энергии в электрическую J_cэ и тепловую соответственно J_ст.

Вырабатываемую энергию от ФЭП и СК можно определить на основе приведенной детерминированной модели.

Резуль­таты функционирования энергоустановки могут но­сить случайный характер из-за изменчивости во вре­мени поступающей возобновляемой энергии [3]. Следовательно, вырабатываемую энергию также следует ожидать с долей вероятности.

Соотношение, выражающее энергетический баланс ЭСЭ, имеет вид, с учетом (2):

(17)

Отсюда:

(18)

Тогда целевой функционал исследуемой ЭСЭ с ис­пользованием МВИЭ представим, используя (1) - (5) как:

. (19)
Для решения поставленной задачи необходимо исследовать полученный функционал на минимум.

Для этого необходимо определить основные введенные параметры ЭСЭ. Исследуемые параметры должны отражать влияние климатических, технических и экономиче­ских факторов на условия энергообеспечения потре­бителей [9] для всех используемых в ЭСЭ МВИЭ.

Очевидно, что для решения поставленной задачи необходимы функциональные зависимости всех введенных выше величин, как от времени, так и от других факторов. Основная информация о режимах работы ВИЭ содержится в величинах . Выше было указано, что их конкретные зависимости можно сформировать эмпирически, основываясь на статистических данных. Аналогичный подход является единственно возможным и для .

Таким образом, для дальнейших исследований принципиально важным является использование существующих или наработка новых статистических данных позволяющих установить в том или ином виде функциональные зависимости указанных выше величин.

Коэффициент, определяющий долю энергии, замещаемой возобновляе­мым источником в данной модели может задаваться исходя из соотношения стоимости энергии получаемой от традиционных источников и стоимости энергии получаемой от МВИЭ, что определяет вид кластера в соответствии с табл. 1.

Результатом использования предложенной методики построения энергоэффективных систем энергоснабжения должны стать разработки различных режимов и схем согла­сования МВИЭ с потребляемым энергию объектом. При этом важно для согласования вырабатываемой и потребляемой энергии определить удобный расчетный период, когда соответствующие исходные данные для анализа не подвержены стохастической изменчивости во времени.

Для этого необходимо выявить повторяющиеся циклы в нестационарном процессе. Соответствующий анализ показывает, что хотя внутри суток и года случай­ный характер имеет место, однако суточная и годовая сумма рас­сматриваемой энергии носит более устойчивый ха­рактер.

Таким образом, рассматривая энергети­ческие характеристики МВИЭ в конкретных климатических условиях и параметры энергетических установок потребления энергии, с учетом ограничений полученных на основе исследования на минимум целевой функции G, мы можем в рамках данной модели строить ЭСЭ с оптимальными параметрами.