Введение

Производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся исчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

В начале XXI века, начинается новый значительный этап развития энергетики. Приближающаяся угроза топливного «голода», а также загрязнение окружающей среды итот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждаетмногие страны с новых позиций обратить внимание на альтернативные (нетрадиционные и возобновляемые) источники энергии, к ним относят: энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр и пр.

По прогнозамспециалистов глобальная смена энергетического курса возможна за период около 50 лет. Кроме того, предельные затраты для общества будут снижены, и могут стать даже отрицательными в том случае, если реформы будут тщательно спланированы и станут неотъемлемой частью модернизации производства. Все это потребует значительных начальных инвестиций и разработки долгосрочных стратегий.

Так же потребуется кардинальное изменение систем производства и поставки энергии вместе с энергопотребляющим оборудованием. Согласно прогнозу Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), на долю АИЭ в 2020 г. будет приходиться 1150 – 1450 млн. тонн условного топлива (5,6 – 5,8% общего энергопотребления). К 2030 г. АИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-70% современного уровня потребления энергии.

В данной работе мы обратили внимание на такие виды возобновляемой энергетики, как солнечная и ветровая. В настоящее время эти две отрасли наиболее динамично развиваются с технологических и экономических позиций и внедряются по всему миру. Достоинства этих видов очевидны: и солнечный свет и ветер – как энергоносители – доступны в любой точке земного шара, технологии преобразования их в электрическую энергию были изучены еще в конце прошлого века и все время модернизируются и удешевляются, а также срок службы и простота эксплуатации позволяют использовать ветровые и солнечные установки даже в локальных масштабах. Ключевым фактором в нашей работе является именно проблема электроснабжения удаленного от центральных энергосетей объекта, решить которую мы беремся с использованием альтернативных источников энергии: солнца и ветра – как источников широко распространенных и благодаря современным технологиям легкодоступных.

Итак, рассмотрим варианты электроснабжения сельского производственного объекта на базе СЭУ, ВЭУ и гибридной ветро-солнечной электроустановки. Ко всем прочим достоинствам этих видов возобновляемых ресурсов, комбинирование их позволит предотвратить перебои электроснабжения (в безветренную или пасмурную погоду – когда вырабатываемой от некомбинированной станции мощности очевидно не хватит), а также удешевить установку, за счет перекрытия в объемах производства энергии по сезонам.

Таким образом, необходимо определить какой тип станции будет лучшим, при кооперации - какой тип источника энергии будет основным, а какой второстепенным, – для чего мы произведем расчет для двух вариантов комбинирования, учитывая обязательно экономическую эффективность обоих решений.

1. Определение годовых нагрузок объекта

Исходные данные.

В качестве исходных данных дано:

• Р_МАХ=10 кВт,

• Типовые графики нагрузок для бытовых потребителей,

• Регион – Рязань,

• Таблицы инсоляции по месяцам, оптимальный наклон модуля.

Следует упомянуть, что графики типовых электрических нагрузок для бытовых потребителей заданы для характерных суток всех сезонов. Поэтому примем, что в каждом месяце одного сезона характер потребления и его модуль идентичны.

С помощью типовых графиков нагрузок [1] были построены графики характерных сезонных суточных нагрузок с учётом следующих условий:

• Р_{МАХ.ЗИМА}=10 кВт;

• Р_{МАХ.ВЕСНА}=9 кВт;

• Р_{МАХ.ЛЕТО}=7 кВт;

• Р_{МАХ.ОСЕНЬ}=8 кВт.

Рисунок 1. Характерный график суточных нагрузок для лета.

Графики нагрузок, соответствующие им таблицы приведены в приложении А.

Расчёт среднесуточного потребления энергии.

Расчёт суммарной потребляемую энергию за месяц:

Остальные значения потребления были рассчитаны аналогично, все значения сведены в следующую таблицу:

Таблица 1. Значения потребления энергии, характерного месяца в сезоне.

Сезон	PMAX, кВт	WΣ, кВт·ч
Зима	10	3075
Весна	9	2457
Лето	7	1816
Осень	8	2352

2. Электроснабжение объекта солнечными модулями

1. Расчёт количества солнечных модулей.

Первым этапом определения количества солнечных модулей для района Рязань является определение положения солнечных модулей, примем оптимальный наклон солнечного модуля, примем что солнечные модули будут работать круглый год, примем, что солнечные модули не будут загораживаться деревьями, зданиями и прочими помехами. По значениям инсоляции [1] для региона Рязань составим следующую таблицу:

Таблица 2. Значения инсоляции, годовые.

Месяц	Инсоляция, кВт·ч/м2	Месяц	Инсоляция, кВт·ч/м2
Январь	21,2	Июль	169
Февраль	55	Август	147
Март	109	Сентябрь	106
Апрель	130	Октябрь	62,3
Май	168	Ноябрь	35,2
Июнь	165	Декабрь	23

2. Выбор числа и типа солнечных модулей

Примем к установке каркасные солнечные модули мери МСК [2]:

Таблица 3. Основные технические характеристики солнечного модуля.

Модель	Размер, мм	Uн, В	Uxx, В	Iкз, А	Up, В	Ip, А	Wp, Вт	Вес, кг	Стекло
МСК-165	805*1575*47	24	43,6	5,20	34	4,70-5,00	165	17	закаленное

Допустим, среднемесячное значение инсоляции за выбранный период равно Е(кВт·ч/м2) , тогда модуль мощности P(Вт) в течении этого периода сможет сгенерировать следующее количество энергии W(кВт·ч):

Приведём пример расчёта для января:

Остальные данные рассчитаем аналогично и сведём в таблицу:

Таблица 4. Объёмы энергии, производимые одним солнечным модулем.

Месяц	Объём энергии, производимый одним солнечным модулем, кВт·ч/месяц	Месяц	Объём энергии, производимый одним солнечным модулем, кВт·ч/месяц
Январь	2,4	Июль	13,9
Февраль	6,4	Август	12,1
Март	10,8	Сентябрь	10,5
Апрель	12,9	Октябрь	6,2
Май	16,6	Ноябрь	3,5
Июнь	13,6	Декабрь	2,7

Отнесём количество энергии, производимое одним солнечным модулем, к паспортной мощности модуля и получим значение количества необходимых модулей для полного снабжения электроэнергией потребителя.

Рассчитаем среднее количество солнечных модулей и примем это количество к установке. Среднее количество составило 260 модулей.

Сведём данные в таблицу:

Таблица 5. Количество солнечных модулей для каждого месяца:

Месяц	Количество солнечных модулей	Месяц	Количество солнечных модулей
Январь	1256	Июль	130
Февраль	484	Август	150
Март	228	Сентябрь	224
Апрель	191	Октябрь	381
Май	148	Ноябрь	675
Июнь	133	Декабрь	1158

3. Выбор числа и типа аккумуляторных батарей.

Для расчета числа аккумуляторных батарей рассмотрим характерные сутки. Рассчитаем избыток и дефицит энергии за характерные сутки каждого месяца и сведём в таблицу:

Таблица 6. Избыток и дефицит энергии.

Месяц	Избыток и дефицит	Месяц	Избыток и дефицит
Январь	-81,2788	Июль	108,619
Февраль	-47,445	Август	86,597
Март	27,209	Сентябрь	27,706
Апрель	48,23	Октябрь	-16,0377
Май	86,268	Ноябрь	-43,1648
Июнь	104,615	Декабрь	-79,477

Далее для расчета кол-ва батарей рассматриваем периоды с избытком энергии. Определяем среднюю продолжительность дня и ночи для рассматриваемых месяцев [3]. Данные занесем в таблицу 7:

Таблица 7. Средняя продолжительность дня и ночи

Месяц	День/Ночь(час)	Месяц	День/Ночь(час)
Март	12/12	Июль	17/7
Апрель	14/10	Август	15/9
Май	16/8	Сентябрь	13/11
Июнь	17/7

Определяем расход энергии ночью в характерные сутки, используя графики нагрузок. Данные заносим в таблицу 8:

Таблица 8. Расход энергии в ночное время

Месяц	День/Ночь(час)	Месяц	День/Ночь(час)
Март	42,75	Июль	11,55
Апрель	32,4	Август	20,3
Май	20,25	Сентябрь	38
Июнь	11,55

Расчет емкости батареи с учетом потерь и допустимой разряда. Так же примем к сведению среднюю температуру за месяц и установку 2х последовательно подключенных батарей.

Данные одной батареи:

Таблица 9. Технические характеристики АКБ

Технические характеристики
Модель	HZB12200
Номинальное напряжение	12В
Срок службы	12 лет
Номинальная емкость 25оС	200А*ч
Внутреннее сопротивление полностью заряженной АКБ	2МОм
Рабочий диапазон температур	-20..50оC
Габаритные размеры	520*240*220мм
Вес	60.9кг

Расчет емкости одного блока(две последовательно соединенные АКБ):

Далее, при известных емкостях батареи и потребности в энергии рассчитаем количество блоков.

Таблица 10. Количество аккумуляторных батарей.

	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
Расход ночью	42,75	32,4	20,25	11,55	11,55	20,3	38
Емкость 2х батарей (24В)кWth	2,716	2,716	2,716	2,716	2,716	2,716	2,716
Кол-во необходимых блоков	15,73	11,92	7,45	4,25	4,25	7,47	13,98

Итого для электроснабжения объекта солнечными модулями в период солнечной активности необходимо:

А. 260 солнечных модулей марки МКС-160

Б. 16 аккумуляторных блоков по 2 батареи марки HZB12200