Методические рекомендации по развитию гарантированного электроснабжения удаленных сельских поселений и объектов агропромышленного комплекса Волгоградской области на базе возобновляемых источников (стр. 3 )

Выбор компонентов солнечной установки с фотоэлектрическими элементами

К основным компонентам системам солнечной установки с фотоэлектрическими элементами относятся:

1. Фотоэлектрические панели.

2. Инвертор.

3. Аккумуляторные батареи.

Подбор инвертора.

Тип инвертора (см. выше) выбирается в зависимости от типа электроприемника.

Подбор аккумуляторов.

Аккумуляторы выбираются исходя из напряжения инвертора. При этом суточное значение потребляемых ампер-часов составит:

,

где Uинв – напряжение инвертора, В.

Тогда требуемая емкость аккумуляторной батареи:

,

где nб. с. – количество последовательных пасмурных дней, для Волгоградской области nб. с. = 4; 0,5 − глубина разрядки аккумуляторной батареи.

Подбор фотоэлектрических панелей.

После выбора фотоэлектрического модуля производится расчет их необходимого количества.

Ток в точке максимальной мощности всей фотоэлектрической установки:

,

где nпик – среднемесячное число пиковых солнце-часов, часов в месяц; 1,2 − коэффициент учитывающий потери в аккумуляторной батареи

,

где Е – среднемесячный дневной приход солнечной радиации в месяц с наименьшем поступлением солнечной радиации (для Волгоградской области − декабрь), кВт/м2; 1000 − условная солнечная радиация, ), кВт/м2.

Количество параллельно устанавливаемых модулей:

,

где Iтр – ток в точке максимальной мощности одного выбранного модуля, А.

Количество последовательно устанавливаемых модулей:

,

где Uм – номинальное напряжение одного выбранного модуля, В.

5. Методика расчета и выбора биогазовых установок

1.  Принимается исходное сырье для биогазовой установки;

2.  Рассчитывается возможный выход биогаза Vг из сырья. Для условий Волгоградской области это могут быть навоз сельскохозяйственных животных и птицы. Выход навоза и количество получаемого из него биогаза от с. х. животных и птиц показано в табл.1;

Таблица 1. Показатели выхода биогаза из навоза.

Показатель	Молочные коровы	Птица	Свиньи
Выход навоза, кг/гол/сутки	55,0	0,2	3,5
Выход биогаза, м3/гол/сутки	1,62	0,02	0,32
Объем биогаза, м3 на 1т. сухого вещества навоза	300	600	500

3.  Выбирается тип биореактора в зависимости от возможностей предприятия. Основные типы биогазовых установок показаны на рис.4;

 

 

 

Рис.4. Типы биогазовых установок

4.  Определяется количество получаемого товарного биогаза:

,

где - расход энергии на собственные нужды установки; λ - теплотворная способность биогаза, λ = 21,5 Мдж/м3.

Так как и выход биогаза является функцией времени при циклической работе биогазовой установки, то для определения зависимости пользуются эмпирической зависимостью:

,

где - объем сбраживаемого навоза; a, b, c –эмпирические коэффициенты, численное значение которых, получается по результатам обработки опытных данных для пилотной установки.

Для определения составляют тепловой баланс биогазовой установки:

,

где - расход энергии на предварительный нагрев навоза до температуры брожения; - суточный расход энергии на компенсацию всех тепловых потерь;

где - теплоемкость навоза, кДж/(кг∙град); - плотность навоза, кг/м3; - конечная температура нагрева навоза, °С; - исходная температура навоза, °С; - КПД установки для нагрева навоза.

В качестве установок для нагрева навоза в биогазовых установках используются водяные рубашки, соединенные с проточными электрическими водонагревателями. КПД таких нагревателей колеблется от до .

Количество теплоты, необходимое для компенсации теплопотерь через ограждающие поверхности метантенка в сутки:

,

где - коэффициент теплопередачи, кДж/м2∙ °С ∙ ч; F – площадь ограждающей поверхности метантенка, м2; - температура навоза в метантенке, °С.

Теплопотери, связанные с выделением биологического газа:

,

где суточный объем выделившегося биогаза, м3/сут; объемная теплоемкость биологического газа, кДж/(м3∙град); температура биогаза на выходе из метантенка, К.

Затраты энергии на привод перемешивающих устройств и вспомогательного оборудования:

,

где потребляемая мощность насосов или перемешивающих устройств, кВт; производительность насосов, м3/ч.

При расчете установок непрерывного действия , так как установка работает в стационарном режиме.

На основании приведенных зависимостей составляется уравнение, которое позволяет определить продолжительность обработки навоза в метантенке:

,

где масса навоза;

ПРИЛОЖЕНИЕ

1.

Оценка потенциала возобновляемой энергетики Волгоградской области

Многолетние метеорологические данные, используемые для первичных оценок энергетических характеристик по ветру и солнцу

Основным источником данных при оценке ветрового потенциала территории долгое время служили наземные метеорологические измерения. Но, к сожалению, доступные метеорологические данные не достаточны для характеристики изучаемой территории с точки зрения возможности развития на ней ветровой энергетики. Это обусловлено рядом причин. Одним из основных недостатков измерений на метеорологических станциях является то, что высота измерений скорости ветра, как правило, не превышает 10-12 м, в то время как высота типовой современной ветроустановки достигает 50-100 м и более. Известно, что скорость ветра изменяется с высотой, поэтому метеорологические измерения характеризуют ветроэнергетический потенциал лишь тонкого приземного слоя атмосферы. Еще один недостаток метеоданных - их статистическая несостоятельность, что связано с неравномерностью и недостаточной густотой сети метеостанций, а также отсутствием на большинстве станций длительных непрерывных рядов измерений.

Кроме того, метеорологические справочники содержат уже обработанные данные, причем результаты обработки часто влекут за собой систематические ошибки в определении энергетических характеристиках ветра.

Что касается оценки ресурсов солнечной энергии на основе данных наземных метеорологических измерений, то здесь также имеются свои плюсы и минусы. К достоинствам этого источника данных можно отнести то, что в [Научно-прикладной справочник…,1990] предоставлен достаточно большой перечень показателей. К ним относятся:

·  радиационный баланс деятельной поверхности (МДж/м²) при средних условиях облачности;

·  среднее квадратичное отклонение от среднего (МДж/м²) месячных и годовых сумм радиации;

·  суммы прямой солнечной радиации (МДж/м²) на горизонтальную поверхность при ясном небе;

·  суммы прямой солнечной радиации (МДж/м²) на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности;

·  суммы прямой солнечной радиации (МДж/м²) на нормальную к лучу поверхность при ясном небе и интегральная прозрачность атмосферы;

·  суммы солнечной радиации и альбедо деятельной поверхности при средних условиях облачности;

·  суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м²) при ясном небе;

·  характеристики продолжительности и суточный ход (доли часа) солнечного сияния.

Однако большим недостатком этого массива данных является крайне малое количество метеостанций на территории Волгоградской области, на которых проводятся актинометрические измерения. Практически для всех перечисленных выше показателей даются данные только по одной метеостанции (Волгоград, СХИ), за исключением характеристики продолжительности и суточного хода солнечного сияния, по которой имеются значения для двух метеостанций Волгоградской области (Волгоград, СХИ и Эльтон). Это делает недостаточным использование только многолетних данных справочника как источника информации при оценке солнечного потенциала территории.

Результаты дистанционного зондирования Земли и математического моделирования как источники данных для ветроэнергетических расчетов

Характеристики скорости ветра, приведенные в БД NASA SSE, являются результатами расчетов на моделях общей циркуляции атмосферы (программа GEOS-5). Расчеты проводятся для двумерной системы, содержащей 72 слоя по вертикали, охватывающих тропосферу и стратосферу Земли. Скорость ветра на малых высотах (10, 50, 100 м) получали на основе принятой модели изменения скорости ветра с высотой: степенная зависимость с параметрами, зависящими от типа подстилающей поверхности (типа ландшафта). Массив данных о характеристиках скорости ветра, так же как и о падающей солнечной радиации, метеорологических параметрах и т. д. охватывает всю территорию Земли и имеет разрешение 1˚х1˚по широте и долготе.

Ниже приведен перечень данных о скорости ветра, предоставленных в БД NASA:

·  скорость ветра на высоте 50 м над поверхностью земли (среднее, минимальное и максимальное значения);

·  повторяемость скоростей ветра на высоте 50 м;

·  скорость ветра на высоте 50 м (срочные данные для 3-х часовых интервалов);

·  направление ветра на высоте 50 м;

·  направление ветра на высоте 50 м (срочные данные для 3-х часовых интервалов);

·  скорость ветра на высоте 10 м для условий поверхности типа «аэропорт»;

·  разность значений скорости ветра на высотах 10 и 50 м (%);

·  характеристики профиля ветра (закон распределения скорости ветра по высоте, используемый для аппроксимации скорости ветра с высоты 50 м на другие высоты);

·  скорость ветра на высотах от 10 до 300 м для различных типах подстилающей поверхности: широколиственные леса вечнозеленые, листопадные и хвойные леса (различной высоты и степень покрытости поверхности); саванны с различными типами кустарников, тундра, сельскохозяйственные угодья, пустоши, поверхности, покрытые льдом и снегом (различной степени шероховатости), водные поверхности, ровные поверхности типа «аэропорт» и т. д. [http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/]

Так же на сайте в открытом доступе предоставлен следующий массив данных для солнечной энергетики:

1. Актинометрические параметры

·  среднемесячная суммарная падающая солнечная радиация на горизонтальную поверхность (кВтч/м2/день);

·  падающая солнечная радиация на горизонтальную поверхность в полдень (среднемесячные значения) (кВтч/м2);

·  среднемесячная падающая солнечная радиация на горизонтальную поверхность при условии ясного дня (кВтч/м2/день);

·  среднемесячное число ясных дней;

·  минимальное и максимальное отклонение от среднемесячной радиации (%);

·  среднемесячная рассеянная солнечная радиация на горизонтальную поверхность (кВтч/м2/день);

·  среднемесячная прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность (кВтч/м2/день);

·  минимальное и максимальное отклонение от среднемесячной прямой солнечной радиации (%);

·  среднемесячное значение индекса прозрачности (от 0 до 1);

·  среднемесячная падающая солнечная радиация на горизонтальную поверхность при ясном небе (кВтч/м2/день);

·  среднемесячное значение индекса прозрачности при ясном небе ( от 0 до 1);

·  среднемесячная падающая солнечная радиация на наклонную поверхность, ориентированную на экватор (кВтч/м2/день) и другие характеристики

·  минимальная доступная солнечная радиация в течение различных периодов последовательных дней (1, 3, 7, 14, 21 день) (%);

·  дефицит солнечной радиации по сравнению с ожидаемой в течение различных периодов последовательных дней (1, 3, 7, 14, 21 день) (кВтч/ м2);

·  количество дней без солнца;

·  другие характеристики.

2. Cолнечная геометрия

·  характеристики положения солнца [http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/]

Достоинствами БД NASA SSE как источника информации для оценки ветрового и солнечного потенциала территории является непрерывность и длительность исходных спутниковых измерений ( гг. – период измерений, на основе которых получены массивы данных в последней версии NASA SSE-6), частота сетки данных, покрывающей всю поверхность Земли, широта перечня предоставляемых пользователю величин. Поэтому использование SSE-данных позволяет провести расчеты различных элементов потенциала как ветровой, так и солнечной энергии практически для любого региона. Результаты этих расчётов могут быть достаточными для подготовительного этапа внедрения новых проектов возобновляемой энергетики; первичного сравнительного анализ различных регионов по ветровому и солнечному потенциалу и т. д. С другой стороны, SSE-данные не отражают микроклимат отдельных территорий; в этом смысле велико значение качественных наземных измерений. Следовательно, ценность базы данных NASA определяется тем, что она позволяет восполнить недостаток наземных измерений и дополнить их там, где они проводятся [Возобновляемые источники энергии: Лекции ведущих специалистов. Выпуск 5 / Под общей редакцией , – М.: Издательство ЧеРо, 2008. – 178 с , 2008].

Проведем ниже количественный сравнительный анализ средних скоростей ветра (Таблица 1) и качественный – графика распределения по месяцам средних скоростей ветра (Рис. 1), рассчитаем дисперсию и относительную погрешность.

Таблица 1 Значения средней скорости ветра на высоте 10 м в г. Волгограде (48.42 с. ш., 44.29 в. д.), представленные в Научно-прикладном справочнике по климату СССР и БД NASA SSE [Научно-прикладной…, 1990] и БД NASA SSE]

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	год
Метеоданные	4,9	4,7	4,4	4,3	4,0	3,9	3,7	3,4	3,6	4,1	4,2	4,3	4,1
NASA	5,4	6,0	4,9	4,8	4,5	4,5	4,0	4,4	4,3	4,6	4,7	5,1	4,7

Рис. 1 Сравнение значений среднемесячных скоростей ветра на высоте 10 м, представленных в Научно-прикладном справочнике по климату СССР и БД NASA SEE на примере г. Волгограда [Научно-прикладной…, 1990] и БД NASA SSE]

Зная средние скорости ветра по данным метеосправочника и БД NASA SSE, рассчитаем дисперсию (D) и относительную погрешность (δ) по формулам:

Таким образом, дисперсия составила 0,23 м/с, а относительная погрешность – 5%, что говорит о допустимой погрешности данных NASA SSE (считаем наземные измерения достоверными) определяет диапазон изолиний при картографическом представлении данных о средних скоростях ветра. Что касается солнечной радиации, то для установок солнечной энергетики одним из важнейших параметров для предварительной оценки является суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность. Нами был проведен сравнительный анализ многолетних актинометрических наземных данных и БД NASA SSE. При этом величины были выражены в одинаковых единицах измерения – кВтч/м2/сутки. Ниже представлен результат сравнения (Таблица 2, Рис. 2.):

Таблица 2 Среднесуточная суммарная солнечная радиация на оптимальную поверхность в г. Волгограде (48.42 с. ш., 44.29 в. д.), представленные в Научно-прикладном справочнике СССР и БД NASA SSE, кВтч/м²/сутки [Научно-прикладной…, 1990] и БД NASA SSE)

	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
NASA	1,26	2,2	3,32	4,35	5,62	5,82	5,86	5,21	3,82	2,34	1,28	0,96
метео	0,98	1,91	3,02	4,46	5,93	6,57	6,25	5,40	4,00	2,29	1,00	0,65