Vі. Принципи створення комплектів малопотужних енергетичних установок

6.1. Комплект малопотужних енергетичних установок (кмеу)

В більшості регіонів України вітер має помірну швидкість з різними напрямками та існує непостійно, але він є і зі стародавніх часів українці широко використовували його енергію, в основному, для перемелювання зерна. Оскільки велика кількість малопотужних вітроелектричних установок дасть електроенергії значно більше, ніж одна ВЕУ великої потужності даже при умові , якщо її потужність буде дорівнювати сумарній потужності n малопотужних ВЕУ, то краще створювати велику кількість малопотужних ВЕУ, ніж обмежену кількість потужних. Тим більше, що останні потребують значних витрат на їх використання та розміщення і працювати будуть значно менший інтервал часу, ніж ВЕУ малої потужності.

Разом з використанням вітрової енергії в сучасному світі широко застосовують сонячну енергію. Сучасна наука стверджує, що широке сумісне використання відновлювальних джерел енергії має великі перспективи. На сьогоднішній день в цілому світі працює близько 300 000 відновлювальних джерел енергії. Близько 2% енергії у всьому світі забезпечується за допомогою вітру та сонця. По переду усіх країн світу знаходиться Німеччина. На сьогоднішній день там виробляється 10% електроенергії за рахунок вітру та сонця. В перспективі в 2012р ФРН планує отримати 30% електроенергії від відновлювальних джерел.

В зв’язку з бурхливим розвитком електроніки та мікропроцесорної техніки може бути доцільним створювати комплекти малопотужних енергетичних установок (КМЕУ) під управлінням мікроконтролерів. Такі комбіновані пристрої можуть паралельно використовувати енергію малопотужних вітрів та сонячного випромінювання під управління мікроконтролера, при застосуванні якого значно спроститься використання таких комплектів. Такі комбіновані пристрої не потребують великих земельних площ для їх реалізації і можуть бути розташовані на дахах високих будівель в містах і селах України. Слід відмітити, що розташування вітроелектростанцій за межами населених пунктів пов’язано з великими додатковими економічними затратами. Крім того, що такі ВЕУ потребують земельних площ, в лініях передач електроенергії безкорисно витрачається велика кількість отриманої енергії. Відомо, що оптимальне значення ККД лінії передач дорівнює 50%.

Для забезпечення безперервного постачання електроенергії з використанням сонячного випромінювання та вітру доцільно створити комплекти, які складаються із 4-х основних частин:

1. Малопотужна вітрова установка (МВУ), в якій для підвищення швидкості вітру (а це означає підвищення потужності) доцільно використовувати концентратори вітрової енергії різноманітних типів;

2. Сонячні панелі з концентраторами сонячного випромінювання різноманітних типів та використання пристроїв оптимального нахилу сонячних панелів відносно напрямку сонячного випромінювання;

3. Акумулятори електричної та теплової енергії в залежності від потреб;

4. Мікроконтролери для раціонального безперервного управління запропонованим комплексом в режимі реального часу.

Такі комплекси доцільно установлювати на дахах висотних будівель у містах України. На даху великої будівлі можна встановити n таких комплектів, якими безпреривно буде управляти мікроконтролер. До цього мікроконтролера можна також підключити і комплекти, які розташовані на дахах сусідніх будинків. Мікроконтролер буде управлят усіма ціми комплектами в режимі реального часу в межах можливостей відносно швидкодії, яка визначається числом обчислювальних та логічних операцій за 1 секунду.

Крім того, мікроконтролер повинен виконувати програму дистанційної технічної діагностики контролюємих комплексів та пожежно-охоронної сигналізації.

Дані із такої мережі мікроконтролерів повинні передаватись на цетральний комп’ютер, який буде розташований в окремій кімнаті, де знаходиться черговий оператор. У випадку необхідності оператор буде викликати спеціалістів з метою усунення визначених неполадок з указанням точної адреси про яку повідомить один із мікроконтролерів.

Такий порядок автоматизованої роботи суттєво скоротить витрати на використання запропонованих комплектів та зменшить собівартість виробляємої електроенергії і термін окупності використовуємих фотопанелів та малопотужних ВУ.

Як приклад, розглянемо використання таких комплектів в м.Києві.

Як вже зазначалося, відповідно до даних статистичних досліджень на протязі року в середньому сонячних днів в м.Києві 273, зокрема в зимку 53, на весні 73, літом 89, восени 58. Враховуючи той факт, що сонце світить не більше 12 годин на добу, в середньому можна підрахувати, що сонце світить в місті Києві на протязі року 3504 години. Оскільки загальна кількість годин на протязі року дорівнює 8760 годин, то можна стверджувати, що середнє статистичне значення ймовірності Рс появи сонячного випромінювання на протязі року може бути обчислено наступним чином . Аналогічно можна підрахувати відповідно до даних досліджень на метеостанціях в м.Києві кількість годин на протязі року, коли існує робочий вітер зі швидкістю, починаючи з 3 м/сек і вище, дорівнює 6137 годинам. При цьому середньостатистичне значення ймовірності існування вітру в м.Києві на протязі року буде наступним .

Звичайно, вказані середньостатистичні значення ймовірностей і являються приблизними і визначаються з певним ступенем довіри 95% відповідно до нормального закону розподілення середньостатистичних данних. Більше того, якщо визначити такі середньостатистичні ймовірності на протязі окремих місяців, то вони будуть суттєво відрізнятись від середньостатистичних значень ймовірностей за рік. Не зважаючи на це, такими оцінками можна користуватись для визначення початкових статистичних даних з метою створення алгоритму роботи запропонованої структури комплексу приборів для використання енергії вітру та сонячного випромінювання.

Так, з врахуванням приведених значень , можна визначити ймовірність сумісного існування енергії вітру та сонячного випромінювання відносно до формули:

Можна визначити також ймовірність , коли повинні працювати тільки одні акумулятори, якщо відсутні вітер та сонячне випромінювання разом, тобто:

При цьому термін Т_а роботи тільки одних акумуляторів при відсутності вітру та сонячного випромінювання на протязі року можна визначити, якщо помножити загальну кількість годин Т=8760 на ймовірність , тобто годин.

Таким чином, використовуючи приведені початкові данні, можна орієнтовно визначити потрібну ємність акумуляторів електричної енергії в пропонуємому комплекті.

Якщо поділити термін Та використання акумуляторів протягом року на n=365 число днів за рік, то можна отримати середнє значення Т_да терміну використання акумуляторів протягом доби, тобто:

години.

Таким чином, при сумісному використанні енергії малопотужних вітрів та сонячного випромінювання в межах київської області, акумулятори повинні працювати в середньому 4,3 години на добу протягом року.

Якщо використовувати тільки енергію малопотужних вітрів, то відносно приведених даних неважко підрахувати, що акумулятори повинні працювати 2628 години протягом року, або в середньому 7,2 години на добу.

Аналогічно, якщо використовувати тільки енергію сонячного випромінювання, то для безперервного забезпечення споживача електроенергією акумулятори повинні працювати 5256 годин протягом року, або в середньому 14,4 годин на добу.

Таким чином, при використанні тільки енергії малопотужних вітрів термін використання акумуляторів протягом доби збільшується в 1,7 рази, а при використанні тільки енергії сонячного випромінювання, добовий термін використання акумуляторів збільшується в 3,3 рази.

Враховуючи той факт, що вартість використання акумуляторів значно вища в порівнянні з вартістю використання малопотужних ВУ та сонячних панелей, не важко зробити висновок про те, що сумісне використання енергії вітру та сонячного випромінювання суттєво підвищує ефективність використання джерел енергії.

На рис. 6.1.1 показана структурно-функціональна схема комплекту малопотужних енергетичних установок (КМЕУ). Ця система містить наступні основні елементи: мікроконтролер (МК), який безпосередньо з’єднаний з центральним пультом управління (ЦПУ) і управляє роботою n паралельно працюючих малопотужних вітроелектростанцій (МВЕ); n компонентів сонячних батарей (КСБ), кожна з яких оснащена пристроєм оптимального нахилу сонячної панелі відносно променів сонця, та комплектом акамуляторів (КА) для зберігання підвищеної вітрової і сонячної енергії з метою подальшого її використання в періоди часу, коли відсутні енергії вітру і сонця.

Мікроконтролер (МК) успішно та ефективно в режимі реального часу управляє роботою n МВЕ, n КСБ та КА. За допомогою алгоритму (рис. 6.2.1), який враховує умови наявності або відсутності вітру та сонячного випромінювання, отримана електроенергія через лічильник передається споживачу. Лічильник електроенергії по суті своїй показує економічну ефективність запропонованого КМЕУ. Якщо енергія вітру або сонячного випромінювання, або того і другого разом перевищує дану установлену норму, то вона використовується для підзаряження комплекту акамуляторів з метою подальшого її використання, в періоди повної відсутності вітру, та сонячного випромінювання. Якщо ж вийшло так, що енергія вітру та сонячного випромінювання була відсутньою достатньо тривалий термін і ємності КА не вистачило для забезпечення споживача ,тоді під управлінням мікроконтролера через перемикач споживач підключається до центральної енергосистеми (ЦЕС).

Рис.7.1.1 Структурно – функціональна схема КМЕУ

МК – мікроконтролер; МВЕ – малопотужна вітроелектростанція; КСБ – комплект сонячної батарей; КА – комплект акумуляторів; ЦПУ – центральний пульт управління; ЦЕС – центральна енергосистема; СП – сонячні промені.

За допомогою мікроконтролера разом з ефективним управлінням роботою КМЕУ паралельно неважко здійснювати контроль технічного стану апаратури за допомогою програми дистанційної технічної діагностики .

Дуже важливо також паралельно застосувати контроль пожежної та охоронної сигналізації за допомогою спеціального обладнання та програми пожежно – охоронної сигналізації.

За допомогою мікроконтролера легко виконувати процес лічення постачаємої електроенергії. Такий лічильник буде мати високу точність та демонструвати економічну ефективність КМЕУ.

Відомо, що ефективність роботи сонячних батарей суттєво залежить від температури їх нагрівання та від кута нахилу плоскості світлопанелів відносно променів сонця. За допомогою мікроконтролера не важко створити просту і ефективну автоматизовану систему вибору оптимального нахилу КСБ та підтримки оптимальної температури КСБ за допомогою автоматизованої системи водяного охолодження сонячних панелей. При цьому підігріта вода може бути використана для битових потреб жильців будинку, на даху якого розташована КМЕУ.