Автономная ветроэлектростанция с аккумуляторным резервом

Для удаленных объектов наиболее приемлемы системы автономного электроснабжения, в том числе и автономные ветроэлектростанции. Практически выбор того или иного варианта электроснабжения на основе ветроэнергетической установки происходит следующим образом. Потребитель при равной надежности электроснабжения выбирает более дешевый вариант, а при равной стоимости электроэнергии – более надежный вариант.

Учитывая, что реальная надежность традиционного электроснабжения достаточно высокая (около единицы), то решающим фактором при выборе варианта электроснабжения будет стоимость электроэнергии. Так как вырабатываемая электроэнергия определяется потребителем и не зависит от варианта системы электроснабжения, автономная ветроэлектростанция будет иметь тем большую конкурентоспособность, чем ниже будет ее стоимость.

На основании изложенного, в качестве критерия оптимальности параметров автономной ветроэлектростанции целесообразно принять ее стоимость.

Автономная ветроэлектростанция на основе пропеллерной ветроустановки будет определена, если будут известны следующие параметры:

§ рабочая скорость ветра, на которую рассчитана ветроустановка;

§ мощность ветроэнергетической установки;

§ емкость или мощность аккумуляторов.

В этой связи, целевая функция должна иметь вид /6, 7/:

S = f(v_Р, N_B, N_A) ® min (10.27)

где: N_B - мощность ветроэнергетической установки;

N_A - мощность аккумуляторов.

Особенностью автономного электроснабжения на основе использования энергии ветра является неуправляемость потоками поступающей энергии. В силу этого ветроэлектростанция, работающая в изолированном режиме, не всегда может выдавать энергию в соответствии с графиком потребления, то есть, в соответствии со спросом на электроэнергию. При этом в любой интервал времени возможны следующие ситуации:

§ поступающая энергия ветра (с учетом потерь на преобразование) превышает потребность в ней;

§ поступающая энергия ветра равна потребности в ней;

§ поступающей энергии ветра недостаточно для удовлетворения потребности в ней.

Для приведения в соответствие графиков поступления и потребления энергии применяется аккумулирование энергии или резервирование.

Очевидно, для достижения поставленной цели, поступающей от ветроэнергетической установки энергии должно быть достаточно для полного удовлетворения потребностей в ней. В этом случае, должно выполняться граничное условие:

Е_B = Е_P + Е_А, (10.28)

где: Е_P - потребляемая энергия, кВт.ч;

Е_A - энергия, запасаемая в аккумуляторе, кВт.

Е_B - энергия, вырабатываемая ВУ, кВт.ч.

В этом случае баланс мощности должен быть следующим:

N_B = N_P + N_A (10.29)

Учитывая, что мощность аккумулятора должна удовлетворять условию N_A = N_P t_{A /} t_B h_A, получаем:

(10.30)

где: t_Э, t_A – время работы ветроэнергетической установки и аккумулятора соответственно, ч.

h_A – к.п.д. аккумулятора, о.е.

Мощность ветроустановки функционально зависит от рабочей скорости ветра. Следовательно, будет иметь место следующее предельное равенство:

(10.31)

Здесь η_ВЭС – к.п.д. ветроэлектростанции, учитывающий и коэффициент использования энергии ветра.

В уравнении (10.31) случайными величинами являются t_А и t_Э, которые зависят от скорости ветра по определению и могут наступать с различными вероятностями. Графики изменения этих величин и уравнения, описывающие их зависимость от скорости ветра, приведены в /6, 7/.

Приняв реальное допущение, что стоимость ветроэнергетической установки (включая инвертор) пропорциональна площади, ометаемой ветроколесом, а стоимость аккумуляторов пропорциональна их емкости, можно записать:

(10.32)

где: k_B - удельная стоимость ВУ, руб/м²;

k_A - удельная стоимость аккумулятора, руб/А.ч;

E_A - энергия, которая требуется для зарядки аккумулятора, Вт.ч;

U_H - номинальное для потребителя напряжение, В.

Учитывая выше приведенные зависимости, стоимость энергоустановки в функции рабочей скорости ветра определится следующим образом /6/:

(10.33)

Функция (10.33) определяет стоимость системы автономного электроснабжения на основе ветроустановки в зависимости от ее параметров и от мощности электроприемников, и представляет собой развернутое выражение целевой функции. Реализация целевой функции для условий Ростовской области показала, что оптимальная рабочая скорость равна 5,5 м/с.

Анализируя формулу целевой функции (10.33), можно заметить, что стоимость автономной системы электроснабжения на базе ветроэнергетической установки пропорциональна среднесуточной мощности электрической нагрузки, но при этом оптимальная рабочая скорость ветроэнергетической установки не зависит от мощности нагрузки.