Диссертация (Обоснование состава и параметров энергокомплекса на основе ВИЭ для вдольтрассовых потребителей магистральных газопроводов), страница 10

В связи с этим наряду споршневыми и газотурбинными электроагрегатами также рассматриваются возможностииспользования ДГУ, которые обладают и многими другими достоинствами по сравнению сгазопоршневыми и газотурбинными установками, такими как лучшая восприимчивость иустойчивостькрезкопеременнымнагрузкам(лучшеекачествовырабатываемойэлектроэнергии при резких сбросах-набросах нагрузки), меньшее время пуска (при условиисодержания в отапливаемом помещении), меньшая стоимость.

Так как традиционныйисточник электрической энергии рассматривается в качестве резервного в ЭК с ВИЭ, тоДГУ, несмотря на меньший ресурс (в среднем 5000 – 6000 ч до капитального ремонта) посравнению с газотурбинной установкой (60000 ч до капитального ремонта длямикротурбинной установки Capstone С30), способна конкурировать с ней. Естественнымнедостатком при использовании ДГУ является необходимость обеспечения АИП дизельнымтопливом.Математическая модель источника электрической энергии соответствующего типаописывает функцию преобразования неэлектрической энергии (солнечного излучения,кинетической энергии скорости ветра, потенциальной энергии напора воды, тепловойэнергии при сжигании органического топлива и так далее), поступающей с энергетическим49ресурсом (возобновляемым, топливным), в электрическую энергию источника в единичноминтервале времени.В общем виде модель источника электрической энергии на основе ВИЭ можно записатьв следующем виде:(где i – вид возобновляемого ресурса,())(17); I – множество видов ресурсов, используемых наобъекте в конкретном географическом районе; j – тип конструктивного исполненияисточника электрической энергии (энергоустановки),;– множество типовконструктивного исполнения энергоустановок;  – расчетная единица времени, ч;–электрическая мощность j-го источника при преобразовании i–го ресурса за расчетнуюединицу времени , кВт;– случайное значение (в соответствии со справочнымиданными, данными метеонаблюдений) параметра, характеризующего количествоэнергии, поступающей с i–м ресурсом в течение расчетной единицы времени , (м/с; МДж/м2и т.п.);– основная энергетическая характеристика j–го источника, описывающаяэффективность преобразования энергии, при использовании i–го ресурса.Расчет количества энергии, вырабатываемого j–м источником при использовании i–горесурса в течение определенного промежутка времени(сутки, месяц, год) выполняется повыражению, кВт∙ч:∫(18)Модель ветроэлектрической установкиМатематическая модель ВЭУ представляется в виде функции мощности, развиваемойгенератором ВЭУ, от скорости ветра, воздействующей на ветроколесо ВЭУ:(где)(19)– электрическая мощность, развиваемая генератором ВЭУ, кВт;– скорость ветра,приведенная к высоте оси ветроколеса и действующая на ветроколесо ВЭУ.Скорость ветра, приведенная к высоте оси ветроколеса ВЭУ, определяется последующему выражению [3]:(где)(20)– коэффициент изменения скорости ветра, учитывающий специфику рельефаместности, о.е.;метеостанции, м/с;– нижняя граница i–го диапазона скоростей ветра на высоте флюгера– класс открытости местности по Милевскому, о.е.;50– фактическийкласс открытости метеостанции, о.е.;– высота оси ветроколеса, м;– высота флюгера,м.Фактический класс открытости метеостанции определяется по формуле [72]:∑где(21)– класс открытости по j-му румбу, о.е.;– повторяемость направления ветра j-горумба, %.Коэффициент изменения скорости ветра, учитывающий специфику рельефа местности,, и класс открытости местности по Милевскомуопределяются в соответствии сосправочной литературой.Мощность, развиваемая ветроколесом ВЭУ, определяется по формуле [72]:(22)где– коэффициент использования энергии ветра, о.е.;– плотность воздуха, кг/м3;скорость ветра (воздушного потока), воздействующая на ветроколесо, м/с;ометаемая рабочим колесом диаметром–– площадь,, м2.Для ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветроколеса площадьрассчитывается поформуле:(23)Для ВЭУ с вертикальной осью вращения ветроколеса (ВЭУ ортогонального типа)расчет площадипроизводится по соответствующим формулам в зависимости от формыометаемой поверхности ветроколесом ВЭУ.Подставляя выражение (23) в формулу (22) получаем зависимость для мощности,развиваемой ветроколесом ВЭУ, в следующем виде:(24)Мощность, развиваемая генератором ВЭУ, определяется по формуле [72]:(25)КПД генератора и редуктора зависят от нагрузки.

Однако для оценочных расчетовможно принять допущение, что коэффициенты имеют постоянное значение.Если также принять допущение, что плотность воздуха в течение года имеетпостоянное значение и не зависит от температуры, влажности воздуха, высоты иатмосферного давления, то формулу (25) можно записать в следующем виде:51(26)гдекоэффициент, характеризующий конструктивные особенности ВЭУ:(27)Произведение коэффициента использования энергии ветра на КПД генератора и КПДредуктора ВЭУ является КПД ВЭУ [3]:(28)В паспортных характеристиках ВЭУ могут быть не указаны все приведенные вформуле (28) параметры. Однако, как правило, прикладывается основная рабочаяэнергетическая характеристика ВЭУ – зависимость мощности, развиваемой ВЭУ, отскорости ветра.В диапазоне скоростей ветра меньше стартовой скорости ветрамаксимальной скорости ветраи свышемощность ВЭУ будет равна 0.

В диапазонескоростей ветра от стартовой до номинальноймощность ВЭУ определяетсяпо выражению (25), при этом известная скорость ветра на высоте флюгера метеостанциидолжна быть пересчитана на высоту оси ветроколеса по формуле (20). В диапазоне скоростейветра от номинальной до максимальнойравнойноминальноймощностимощность ВЭУ будет постоянной,ВЭУ(считается,чтоВЭУоборудованаавтоматической системой поворота лопастей).По результатам расчетов строится основная рабочая энергетическая характеристикаВЭУ().Для определения возможной вырабатываемой ВЭУ электроэнергии в течение годанеобходимо построить кривую обеспеченности заданных диапазонов скоростей ветраКривая обеспеченностистроится на основе известных значений относительнойповторяемости диапазонов скоростей ветрапо следующему выражению:∑где.(29)– обеспеченность i-го диапазона скоростей ветра, %,количество измеренных диапазонов скоростей ветра;, где– общее– относительная повторяемость-го диапазона скоростей ветра, %.Кривая обеспеченности отражает вероятность того, что скорость ветра превыситскорость.

Поэтому при построении кривой обеспеченности следует иметь в виду, что длякаждого i-го диапазона скоростей ветра значения52относятся к нижней границе в -мдиапазоне скоростей ветра, то есть квероятность того, что скорость ветра, так как(), где–превысит минимальную для -го диапазона [3].По известным значениям диапазонов скоростей ветра на высоте флюгера и ихотносительной повторяемости) выполняется пересчет диапазонов скоростей ветра на(высоту оси ветроколеса по формуле (20), и по формуле (29) строится кривая обеспеченностиданных диапазонов.Кривую обеспеченности диапазонов скоростей ветра, приведенных к высоте осиветроколеса,), полученную в процентах, необходимо представить в виде(функциональной зависимости от времени года).

Для этого за стопроцентнуюобеспеченность принимается общее число часов в году8760 ч. Соответственно, 50 %(обеспеченности будет соответствовать 4380 ч и так далее. Таким образом, получаемзависимость(, по которой можно определить количество часов в году, когда)скорость ветра будет превышать скорость ветра.Далее, по кривой обеспеченности диапазонов скоростей ветра, приведенных к высотеоси ветроколеса,(характеристикеВЭУ)и по ранее рассчитанной основной рабочей энергетической(строится)криваяобеспеченностимощности.По полученной зависимостиэлектроэнергииопределяется возможная выработка, кВт·ч, в течение года по формуле:∫гдеи(30)– продолжительность действия ветра с минимальной и максимальной дляВЭУ рабочей скоростью, соответственно, ч.При практических расчетах вырабатываемой ВЭУ электроэнергии возможно заменятьинтегрированиесуммированиемплощадей,ограниченныхрабочеймощностнойхарактеристикой ВЭУ, или воспользоваться формулой:∑где(31)– порядковый номер ступени деления рабочего диапазона скоростей ветра;ступеней рабочего диапазона скоростей ветра;– число– суммарная длительность (на заданномотрезке времени) ступеней с одинаковыми скоростями ветра.На основании полученного значениямощностии известного значения номинальнойрассчитываются некоторые эксплуатационные характеристики ВЭУ, а53именно: КИУМ ВЭУ, число часов использования номинальной мощности, значение среднеймощности ВЭУ в течение года.КИУМ ВЭУ рассчитывается по следующей формуле:(32)Число часов использования номинальной мощности определяется по формуле:(33)Значение средней мощности ВЭУ в течение года определяется по формуле:̅̅̅̅̅̅̅̅̅(34)Учитывая, что в диапазоне скоростей ветра меньше стартовой скорости ветраи свыше максимальной скорости ветразависимостямгода()мощность ВЭУ будет равна 0, поиопределяется время простоя ВЭУ в течение, ч.Общее число часов работы ВЭУ в течение годаопределяется по выражению:(35)Зная среднегодовую скорость ветра на высоте флюгера метеостанции ̅, пересчитавее по формуле (20) на высоту оси ветроколеса, можно сравнить полученное значение соскоростью ветраи, при необходимости, подобрать ВЭУ другого конструктивногоисполнения.Модель солнечного фотоэлектрического модуляМатематическая модель ФЭМ представляется в виде функции мощности ФЭМотмощности (интенсивности) потока солнечного излучения :.(36)Полезная мощность солнечного элемента определяется по формуле [73]:(37)Максимальное значение полезной мощности солнечного элемента достигается принекоторых промежуточных значенияхмаксимумаобычно близка ки.