Практический курс. Составление прогноза относительно объемов генерируемой электроэнергии СЭС

Составление прогноза относительно объемов генерируемой электроэнергии СЭС

Данный материал разрешено использовать в образовательных целях

Целями технико-экономических расчетов при проектировании электроснабжения являются:

1. Обоснование инвестиций (долгосрочных капиталовложений) в новые или реконструируемые СЭС и последующих эксплуатационных расходов путем сравнения вариантов по принятым критериям эффективности. 

2. Доказательство технических функциональных способностей СЭС, соответствующих обоснованным требованиям потребителей электроэнергии (необходимая пропускная способность элементов, обеспечение надежности электроснабжения, качества электроэнергии и т.д.). При этом проводится выбор и обоснование электрооборудования для выполнения необходимых функций и требований, а также оценка состояния СЭС в нормальных и послеаварийных режимах. 

3. Оценка качественных показателей и народнохозяйственного значения принятого решения. Выбор технико-экономически обоснованной схемы электроснабжения предприятия базируется на рассмотрении и сравнении нескольких возможных вариантов по техническим, эксплуатационным и экономическим показателям.

К техническим показателям СЭС можно отнести число и уровни ступеней напряжения, отклонение и потери напряжения, безотказность работы и устойчивость элементов СЭС в переходных режимах, стабильность работы электроприводов, степень автоматизации и др. К эксплуатационным показателям относятся продолжительность восстановления электроснабжения после локализации или ликвидации повреждения, длительность текущих и капитальных ремонтов, допустимые перегрузки элементов СЭС, величины потерь мощности и электроэнергии, удобство эксплуатации, количество и квалификация обслуживающего персонала. Важнейшими экономическими показателями при сравнении вариантов СЭС являются приведенные годовые затраты и срок окупаемости капиталовложений. Для более детальной экономической оценки вариантов используются дополнительные показатели: капиталовложения в СЭС, стоимость потерь мощности и электроэнергии, ущерб от внезапных перерывов электроснабжения и т.п.

При выполнении технико-экономических расчетов возникают объективные трудности, обусловленные тем, что перебор всех возможных вариантов связан со значительными трудозатратами проектировщиков даже при автоматизированной обработке данных. Кроме того, многие сравниваемые показатели трудно поддаются количественной оценке (например, удобство эксплуатации, гибкость, надежность и др.). В связи с этим правильный подбор для сравнения нескольких вариантов зависит от эрудиции, опыта и квалификации проектировщиков.

ВЫБОР ЭКОНОМИЧЕСКИ ЦЕЛЕСООБРАЗНОЙ ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ 

Площадь сечения проводников является важным параметром воздушных и кабельных линий. С увеличением площади сечения проводников возрастают затраты на сооружение линий электропередачи, но при этом снижаются потери электроэнергии. Уменьшение площади сечения до технически допустимого предела сокращает капиталовложения, однако вызывает увеличение потерь в линии. В связи с этим правильный выбор площади сечения проводников с учетом конкретных условий является важной и ответственной задачей проектирования СЭС.

При проектировании линий электропередачи напряжением до 220 кВ выбор площади сечения проводников проводится не сопоставительным технико-экономическим расчетом в каждом конкретном случае, а по нормируемым обобщенным показателям. В качестве таких показателей используются значения экономической плотности тока для воздушных и кабельных линий. Экономическая плотность тока устанавливает оптимальное соотношение между отчислениями от капиталовложений и стоимостью потерь электроэнергии в линии. Экономически целесообразная площадь сечения проводников F выбирается из соотношения f,=x, где / — расчетный ток линии в нормальном режиме, A; j — нормированное значение экономической плотности тока, А/мм2 .

В процессе передачи, распределения и потребления электрической энергии суммарные потери в генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи различных напряжений, электродвигателях, преобразователях и технологических установках достигают 25—30 % всей вырабатываемой на электростанциях электроэнергии. Из них значительная доля, примерно до 10—15 %, приходится на системы электроснабжения. В связи с этим определение потерь мощности и электроэнергии является важным вопросом проектирования СЭС промышленных предприятий, имеющим существенное значение при технико-экономической оценке вариантов схем, выборе рациональных номинальных напряжений, компенсирующих и регулирующих устройств и т.п. 

Потери активной мощности и электроэнергии в элементах СЭС складываются из потерь холостого хода и нагрузочных потерь. Потери холостого хода не зависят от нагрузки элементов СЭС и возникают из-за перемагничивания сердечников (потери на гистерезис и вихревые токи), ионизации воздуха возле проводов воздушных линий 220 кВ и выше (потери на корону), токов утечки из-за несовершенства изоляции и т.д. Эти потери для различных элементов указываются в виде абсолютных или удельных величин в паспортных данных или в справочниках. Нагрузочные потери являются тепловыми потерями, которые изменяются прямо пропорционально квадрату тока, протекающего через активное сопротивление элемента СЭС.

Потери активной мощности в линии электропередачи (ЛРЛ), идущие на нагревание проводников, рассчитываются по выражению АРл = 3 • Р- R, (3.4) где / — ток линии; R — активное сопротивление провода или жилы кабеля, определяемое как R= r 0 l, (3.5) где т»0 — удельное (погонное) активное сопротивление проводника, Ом/км; / — длина линии, км.

Расчет мощности солнечных батарей

Чтобы рассчитать необходимую мощность солнечных батарей нужно знать, сколько энергии вы потребляете. Например, если ваше потребление энергии составляет 100 кВт*ч в месяц (показания можно посмотреть по счётчику электроэнергии), то соответственно вам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали такое количество энергии. 

Сами солнечные батареи вырабатывают солнечную энергию только в светлое время суток. И выдают свою паспортную мощность только при наличии чистого неба и падении солнечных лучей под прямым углом. При падении солнца под углами мощность и выработка электроэнергии заметно падает, и чем острее угол падения солнечных лучей, тем падение мощности больше. В пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз, даже при легких облачках и дымке мощность солнечных батарей падает в 2-3 раза, и это всё надо учитывать. 

При расчёте лучше брать рабочее время, при котором солнечные батареи работают почти на всю мощность, на протяжении 7 часов, это с 9 утра до 4 часов вечера. Панели, конечно, летом будут работать от рассвета до заката, но утром и вечером выработка будет совсем небольшая, по объёму всего 20-30% от общей дневной выработки, а 70% энергии будет вырабатываться в интервале с 9 до 16 часов. 

Таким образом, массив панелей мощностью 1кВт (1000вт) за летний солнечный день выдаст за период с 9-ти до 16-ти часов 7 кВт*ч электроэнергии, и 210 кВт*ч в месяц. Плюс ещё 3 кВт (30%) за утро и вечер, но пускай это будет запасом, так как возможна переменная облачность. И панели у нас установлены стационарно, и угол падения солнечных лучей изменяется, от этого естественно панели не будут выдавать свою мощность на 100%. Понятно, что если массив панелей будет на 2 кВт, то выработка энергии будет 420 кВт*ч в месяц. А если будет одна панелька на 100 ватт, то в день она будет давать всего 700 ватт*ч энергии, а в месяц 21кВт. 

Неплохо иметь 210 кВт*ч в месяц с массива мощностью всего 1 кВт, но здесь не всё так просто: 

Во-первых, не бывает такого, что все 30 дней в месяце солнечные, поэтому надо посмотреть архив погоды по региону и узнать, сколько примерно пасмурных дней по месяцам. В итоге наверно 5-6 дней точно будут пасмурные, когда солнечные панели и половины электроэнергии не будут вырабатывать. Значит можно смело вычеркнуть 4 дня, и получится уже не 210 кВт*ч, а 186кВт*ч.

Также нужно понимать, что весной и осенью световой день короче и облачных дней значительно больше, поэтому если вы хотите пользоваться солнечной энергией с марта по октябрь, то нужно увеличить массив солнечных батарей на 30-50% в зависимости от конкретного региона. 

Но это ещё не всё, также есть серьёзные потери в аккумуляторах, и в преобразователе (инверторе), которые тоже надо учитывать, об этом далее. 

Про зиму пока говорить не будем, так как это время совсем плачевное по выработке электроэнергии, и тут когда неделями нет солнца, уже никакой массив солнечных батарей не поможет, и нужно будет или питаться от сети в такие периоды, или ставить бензогенератор. Хорошо помогает также установка ветрогенератора, зимой он становится основным источником выработки электроэнергии, но если конечно в вашем регионе ветреные зимы, и ветрогенератор достаточной мощности.

Расчет емкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей

Самый минимальный запас ёмкости аккумуляторов, который просто необходим, должен быть такой, чтобы пережить темное время суток. Например, если у вас с вечера и до утра потребляется 3 кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии. 

Если аккумулятор 12 вольт 200 Ач, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт (2,4кВт). Но аккумуляторы нельзя разряжать на 100%. Специализированные АКБ можно разряжать максимум до 70%, если больше — то они быстро деградируют. Если вы устанавливаете обычные автомобильные АКБ, то их можно разряжать максимум на 50%. Поэтому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придется менять каждый год или даже раньше. 

Оптимальный запас ёмкости АКБ это суточный запас энергии в аккумуляторах. Например, если у вас суточное потребление 10кВт*ч, то рабочая емкость АКБ должна быть именно такой. Тогда вы без проблем сможете переживать 1-2 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь. 

Еще одна немаловажная делать это КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, который равен примерно 80%. То есть, аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии, чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда, тем ниже КПД. К примеру,  если у вас аккумулятор на 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2 кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так как ток разряда АКБ будет около 250 Ампер, и КПД отдачи энергии упадет до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться. 

Инвертор (преобразователь энергии 12/24/48 в 220в) имеет КПД 70-80%. 

Учитывая потери полученной от солнечных батарей энергии в аккумуляторах, и на преобразовании постоянного напряжения в переменное 220в, общие потери составят порядка 40%. Это значит, что запас ёмкости аккумуляторов нужно увеличивать на 40% и  дополнительно увеличивать массив солнечных батарей на 40%, чтобы компенсировать эти потери. 

Но и это ещё не все потери. Существует два типа контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных батарей, и без них не обойтись. PWM(ШИМ) контроллеры более простые и дешевые, они не могут трансформировать энергию, и потому солнечные панели не могут отдать АКБ всю свою мощность, максимум 80% от паспортной мощности. А вот MPPT контроллеры отслеживают точку максимальной мощности и преобразуют энергию, снижая напряжение и увеличивая ток зарядки, в итоге увеличивают отдачу солнечных батарей до 99%. Поэтому если вы ставите более дешёвый PWM контроллер, то увеличивайте массив солнечных батарей еще на 20%.

Расчет солнечных батарей для частного дома или дачи

Если вы не знаете ваше потребление и только планируете, скажем, запитать дачу от солнечных батарей, то потребление считается достаточно просто. Например, у вас на даче будет работать холодильник, который по паспорту потребляет 370 кВт*ч в год, значит, в месяц он будет потреблять всего 30.8кВт *ч энергии, а в день – 1.02кВт*ч.

Свет. Например, лампочки у вас энергосберегающие, скажем, по 12 ватт каждая, их 5 штук и светят они в среднем по 5 часов в сутки. Это значит что в сутки ваш свет будет потреблять 12*5*5=300 ватт*ч энергии, а за месяц «нагорит» 9кВт*ч. Также можно посчитать потребление насоса, телевизора и всего другого что у вас есть, сложить всё и получится ваше суточное потребление энергии, а там умножить на месяц и получится некая примерная цифра. 

Например, у вас получилось в месяц 70 кВт*ч энергии, прибавляем 40% энергии, которая будет теряться в АКБ, инверторе и пр. Значит, нам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали примерно 100кВт*ч. Это значит 100:30:7=0,476кВт. Получается, нужен массив батарей мощностью 0,5кВт. Но такого массива батарей будет хватать только летом, даже весной и осенью при пасмурных днях будут перебои с электричеством, поэтому надо увеличивать массив батарей в два раза. 

В итоге вышеизложенного в вкратце расчёт количества солнечных батарей выглядит так: 

• принять что солнечные батареи летом работают всего 7 часов с почти максимальной мощностью
• посчитать своё потребление электроэнергии в сутки
• разделить на 7 и получится нужная мощность массива солнечных батарей
• прибавить 40% на потери в АКБ и инверторе
• прибавить еще 20% если у вас будет PWM контроллер, если MPPT то не нужно

Пример: Потребление частного дом 300 кВт*ч в месяц, разделим на 30 дней = 7кВт, разделим 10кВт на 7 часов, получится 1,42 кВт. Прибавим к этой цифре 40% потерь на АКБ и в инверторе, 1,42+0,568=1988 ватт. В итоге для питания частного дома в летнее время нужен массив в 2 кВт. Но чтобы даже весной и осенью получать достаточно энергии лучше увеличить массив на 50%, то есть ещё плюс 1 кВт. А зимой в продолжительные пасмурные периоды использовать или бензогенератор, или установить ветрогенератор мощностью не менее 2кВт. Более конкретно можно рассчитать основываясь на данных архива погоды по региону.