Расчет и выбор ветроустановки
Расчет ветроустановки для горячего водоснабжения сельскохозяйственного потребителя. Данные для расчета те же, что и для гелиоустановки. Расчет ведется на примере двух ветроустановок АВЭУ6-4М и BWC-3, которые эксплуатируются на Южном Урале.
1. Определение количества вырабатываемой энергии
1.1. Выписываем необходимые технические данные ветроустановок: для АВЭУ6-4М Рн
= 4 кВт; D = 6,6 м; vmin
= 4 м/с; vp
= 9 м/c; для BWC-3 Рн = 9 кВт; D = 7,0 м; vmin
= 3 м/с; vp
= 12 м/c.
1.2. Данные о повторяемости скорости ветра в Брединском районе и заносим в табл.2.1. Обычно выписываются повторяемости скорости ветра начиная от vmin. В нашем примере начнем с градации 2-3 м/с;
1.3. Определяем количество удельной вырабатываемой энергии для каждого месяца по выражению
,
где Т – число часов в месяце.
.
Таблица 2.1
| Месяц |
Повторяемость скорости ветра по градациямв относительных единицах |
|||||
| 2 – 3 |
4 – 5 |
6 – 7 |
8 – 9 |
10 – 11 |
12 и больше |
|
| Май |
0,32 |
0,19 |
0,1 |
0,05 |
0,02 |
0,01 |
| Июнь |
0,34 |
0,19 |
0,08 |
0,04 |
0 |
0 |
| Июль |
0,34 |
0,16 |
0,05 |
0,03 |
0 |
0 |
| Август |
0,33 |
0,17 |
0,05 |
0,02 |
0 |
0 |
| Сентябрь |
0,29 |
0,17 |
0,07 |
0,04 |
0,02 |
0 |
Таблица 2.2
Количество удельной вырабатываемой энергии
| ВЭУ |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
За сезон |
| АВЭУ6-4М |
1800 |
1100 |
850 |
750 |
1300 |
5800 |
| BWC-3 |
3000 |
1500 |
1200 |
1000 |
1800 |
8500 |
2. Определение количества ветроустановок для удовлетворения потребности в энергии.
2.1. 2.2. Оцениваем обеспеченность потребной энергии от одной установки:
| , % , |
где hэл
– КПД электрического нагревателя (ТЭНы), принимается равным единице;
Qп
– потребное количество энергии.
В мае ветроустановка АВЭУ6-4М может обеспечить 58% потребной энергии, установка BWC-3 – 94%:
Для полного обеспечения потребителя необходимой энергией в мае можно предложить две установки АВЭУ6-4М или одну BWC-3. Результаты расчетов для остальных месяцев приведены в табл.2.3.
Анализ полученных результатов показывает, что установка АВЭУ6-4М обеспечивает потребность в энергии в среднем на 38%, и для полного обеспечения в зависимости от месяца их потребуется две три или даже пять. Установка BWC-3 в среднем обеспечивает потребность в энергии на 71%. Таких установок требуется одна, две или четыре.
2. Определение энергетических показателей ВЭУ
Для этого определим коэффициенты использования ВЭУ и обеспеченности потребителя необходимой энергией.
2.1. Коэффициент использования вырабатываемой энергии
определяется для каждого месяца и рассматриваемого варианта. Например, в мае при использовании двух установок АВЭУ6-4М количество энергии WВЭУ = 1800·2 = 3600 МДж. При потребной энергии Qп
= 3100 МДж полезно используемая энергия принимается равной потребной (Qпол
= Qп
), так как тепловая энергия получаемая от ВЭУ больше потребной энергии: .
Таблица 2.3
| Показатели |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
За сезон |
|
| Потребная энергия, МДж |
3100 |
3000 |
3100 |
3100 |
3000 |
15300 |
|
| WВЭУ,МДж |
АВЭУ6-4М BWC-3 |
1800 3000 |
1100 1500 |
850 1200 |
750 1000 |
1300 1800 |
5800 8500 |
| П, % |
АВЭУ6-4М BWC-3 |
58 98 |
37 50 |
27 39 |
24 32 |
43 60 |
38 71 |
| количество: АВЭУ6-4М BWC-3 |
2 1 |
3 2 |
4 3 |
5 4 |
3 2 |
3 2 |
|
Коэффициент использования вырабатываемой энергии
При использовании BWC-3 ; принимается .
Результаты расчетов сведены в табл.2.4.
3.2. Коэффициент обеспеченности потребителя оцениваем также для каждого месяца в зависимости от вида и количества ВЭУ.
Результаты расчетов заносим в табл.2.5.
Таблица 2.5
| Количество ВЭУ |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
За сезон |
||||||
| Кисп
|
Коб
|
Кисп
|
Коб
|
Кисп
|
Коб
|
Кисп
|
Коб
|
Кисп
|
Коб
|
Кисп
|
Коб
|
|
| АВЭУ 6-4М |
||||||||||||
| 1 |
1 |
0,52 |
1 |
0,27 |
1 |
0,27 |
1 |
0,24 |
1 |
0,43 |
1 |
0,35 |
| 2 |
0,86 |
0,95 |
1 |
0,73 |
1 |
0,55 |
1 |
0,48 |
1 |
0,87 |
0,97 |
0,72 |
| 3 |
0,57 |
1 |
0,9 |
1 |
1 |
0,82 |
1 |
0,73 |
0,77 |
1 |
0,85 |
0,91 |
| 4 |
0,43 |
1 |
0,68 |
1 |
0,91 |
1 |
1 |
0,97 |
0,58 |
1 |
0,72 |
0,99 |
| 5 |
0,34 |
1 |
0,55 |
1 |
0,73 |
1 |
0,83 |
1 |
0,46 |
1 |
0,58 |
1 |
| BWC-3 |
||||||||||||
| 1 |
1 |
0,98 |
1 |
0,5 |
1 |
0,38 |
1 |
0,32 |
1 |
0,6 |
1 |
0,56 |
| 2 |
0,52 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0,84 |
1 |
0,65 |
0,86 |
1 |
0,87 |
0,9 |
| 3 |
0,34 |
1 |
0,67 |
1 |
0,86 |
1 |
1 |
0,95 |
0,57 |
1 |
0,69 |
0,99 |
| 4 |
0,26 |
1 |
0,5 |
1 |
0,65 |
1 |
0,78 |
1 |
0,43 |
1 |
0,52 |
1 |
Значит, для полного удовлетворения потребности в энергии нужны пять ветроустановок типа АВЭУ6-4М или четыре установки BWC-3. Коэффициент их использования составляет 0,58 и 0,52
| Тип ВЭУ |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
За сезон |
||||||
| p(v) |
N |
p(v) |
N |
p(v) |
N |
p(v) |
N |
p(v) |
N |
n:center;">p(v) |
N |
|
| АВЭУ |
0,41 |
13 |
0,41 |
12 |
0,32 |
10 |
0,33 |
10 |
0,38 |
11 |
0,37 |
56 |
| BWC-3 |
0,68 |
21 |
0,68 |
20 |
0,63 |
20 |
0,64 |
20 |
0,67 |
20 |
0,66 |
101 |
4. Определение экономической эффективности ветроустановки
4.1. Рассчитываем количество полезно используемой энергии за сезон и количество сэкономленного топлива:
или
При использовании двух установок АВЭУ6-4М:
МДж
Результаты расчетов занесены в табл.2.6.
Таблица 2.6
| Вариант энергоснабжения |
Полезная энергия,МДж |
Экономия топлива, т у.т. |
|
| АВЭУ6-4М |
1 |
5800 |
0,38 |
| 2 |
11100 |
0,73 |
|
| 3 |
13900 |
0,98 |
|
| 4 |
15200 |
0,99 |
|
| 5 |
15300 |
1 |
|
| BWC-3 |
1 |
8500 |
0,56 |
| 2 |
13600 |
0,89 |
|
| 3 |
15300 |
1 |
|
| 4 |
15500 |
1,2 |
|
4.2. Оцениваем эффективность ветроустановки по энергетическим затратам и определяем срок окупаемости.
Энергозатраты на установку АВЭУ6-4М составляют 102600 МДж, на единицу площади, ометаемой ветроколесом – 3000Мдж/м2
.
Эффективность энергозатрат при использовании двух установок АВЭУ6-4М
;
срок окупаемости
.
Энергозатраты на одну установку BWC-3
Результаты расчетов занесены в табл.2.7.
Таблица 2.7
| Показатели |
АВЭУ6-4М |
BWC-3 |
|||||||
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
| Энергозатраты, МДж |
48000 |
96000 |
144000 |
192000 |
240000 |
54000 |
108000 |
162000 |
216000 |
| Полезная энергия, МДж |
5800 |
11100 |
14900 |
15200 |
15300 |
8500 |
13600 |
15300 |
15500 |
| Эффективность энергозатрат |
0,12 |
0,12 |
0,1 |
0,08 |
0,06 |
0,15 |
0,13 |
0,09 |
0,07 |
| Срок окупаемости, лет |
8,3 |
8,6 |
9,7 |
12,6 |
15,7 |
6,3 |
7,9 |
10,7 |
13,9 |
Таким образом, наиболее эффективным является вариант с использованием одной установки типа BWC-3. При этом потребитель обеспечивается энергией на 74% и требуется дублирующий источник энергии.
4.3. Оценка сравнительной эффективности ветроустановки по стоимостным показателям
Для каждого рассматриваемого варианта определяются годовые издержки и экономия органического топлива. Условие эффективного использования ветроустановки:
.
При использовании одной установки BWC-3 годовые издержки составят 5800 рублей, если Куд
=3000руб./м2
и а=0,05; выручка от экономии топлива – 7800 рублей, если Т
=14000 руб./т у.т. Выбранная ветроустановка работает эффективно. Результаты расчета сведены в табл.2.8. Полученные данные показывают, что для рассматриваемого потребителя при принятых условиях выгодно отличается установка BWC-3. Сравнительная наибольшая ее эффективность составляет 2000 рублей, другие варианты 900, а также 100 остальные варианты энергоснабжения являются неэффективными.
Таблица 2.8
| Вариант |
Годовые издержки, руб. |
Экономия топлива, руб. |
Сравнительная эффективность, руб. |
|
| АВЭУ6-4М |
1 |
5200 |
5300 |
+100 |
| 2 |
10400 |
10200 |
-200 |
|
| 3 |
15500 |
13100 |
-2400 |
|
| 4 |
20700 |
13900 |
-6800 |
|
| 5 |
25900 |
14000 |
-11900 |
|
| BWC-3 |
1 |
5800 |
7800 |
+2000 |
| 2 |
11600 |
12500 |
+900 |
|
| 3 |
17300 |
14000 |
-3300 |
|
| 4 |
23100 |
16800 |
-6300 |
|
Себестоимость энергии от ветроустановки
СВЭУ
= ИВЭУ
/Qпол
= 5800 /8500 = 0,68 руб./МДж = 2,4 руб./кВт·ч.
СВЭУ
= ИВЭУ
/Qпол
= 11600 /13600 = 0,85 руб./МДж = 3,06 руб./кВт·ч.
СВЭУ
= ИВЭУ
/Qпол
= 5200 /5800 = 0,9 руб./МДж = 3.2 руб./кВт·ч.
При изменении первоначальных условий, т.е. удельных капиталовложений, стоимости топлива следует ожидать изменения сравнительной эффективности и себестоимости вырабатываемой энергии. Однако ясно, что вариант использования ветроустановки BWC-3 предпочтительнее, чем АВЭУ-6-4М.
Оценка экономической эффективности ВЭУ по энергозатратам и стоимостным показателям также говорит в пользу ветроустановки BWC-3, причем вырабатываемая электроэнергия должна идти только на нагрев воды.
Предлагаемый вариант горячего водоснабжения требует наличия дублирующего источника энергии. Если выбрана гелиоустановка, необходимо определить ее параметры. При выборе гелиоветроустановки необходимо учитывать изменчивость поступающей энергии: среднемесячные значения суммарной солнечной радиации ожидаются с вероятностью p(s)=0,6 и в течение месяца гелиоустановка вырабатывает тепловую энергию 18 дней. Средняя продолжительность работы ВЭУ за месяц при скорости ветра v 5 м/c составляет 8…10 дней.
Таким образом, если гелио- и ветроустановки будут работать изолированно друг от друга, то возможно наиболее эффективное использование ВИЭ и полное обеспечение потребителя необходимой энергией. При этом предполагается, что ветроустановка может аккумулировать тепловую энергию на несколько дней и обеспечить потребителя в пасмурные дни.
4.6. Определение возможности использования гелиоветроэнергетического комплекса
При совместной работе гелиоустановки с площадью А=11,2 м2
и ветроустановки BWC-3 можно получить 9400 Мдж и 8500 МДж соответственно, т.е. потребность в тепловой энергии будет обеспечена полностью.
Эффективность энергетических затрат
.
Срок окупаемости комплекса
Т=(63840+54000)/15300=8 (лет).
Сравнительную эффективность по стоимостным показателям также оцениваем через годовые издержки на гелио- и ветроэнергетический комплекс и количество сэкономленного топлива, так как необходимо предусматривать резервный источник энергии работающий на органическом топливе.
Гелио- и ветроэнергетический комплекс будет эффективным при
.
Количество сэкономленного топлива в год:
Сравнительная эффективность комплекса:
руб/год
Положительная величина эффективности показывает, что гелио-ветроэнергетический комплекс с предлагаемыми параметрами при принятых условиях является эффективным.
Обобщающие результаты оценки эффективности по энергетическим затратам и по стоимостным показателям приведены соответственно в табл. 2.9 и 2.10.
Таблица 2.9
| Сравнительная оценка эффективности гелио- и ветроустановок по энергетическим затратам
|
||||||
| Вариант |
Энерго затраты, МДж |
Полезная энергия, МДж |
Эффектив ность, R |
Срок окупаемости, лет |
Экономия топлива, т у.т. |
Обеспечен ность от ВИЭ,% |
| ГЭУ, А=11,2 м2
|
63840 |
9400 |
0,15 |
6,8 |
0,71 |
93 |
| BWC-3 |
54000 |
8500 |
0,16 |
6,4 |
0,56 |
56 |
| ГВЭУ |
117840 |
15300 |
0,13 |
8 |
1,2 |
100 |
Таблица 2.10
| Сравнительная эффективность гелио- и ветроустановок по стоимостным показателям
|
|||||
| Вариант |
Годовые издержки, руб./год |
Экономия, руб./год |
Эффективность, Эср
|
Экономия топлива, т у.т. |
Обеспеченность от ВИЭ, % |
| ГЭУ, А=11,2 м2
|
2200 |
9900 |
7700 |
0,71 |
93 |
| BWC-3 |
5800 |
7800 |
2000 |
0,56 |
56 |
| ГВЭУ |
8000 |
4400 |
8800 |
1,2 |
100 |
По энергетическим затратам наиболее эффективным оказался вариант с использованием ветроустановки BWC-3, а по стоимостным показателям – вариант энергоснабжения с использованием гелио-установки площадью А= 11,2 м2
.
При совместном использовании гелио- и ветроустановок можно обеспечить максимальную экономию топлива. Себестоимость тепловой энергии в этом варианте
СГВЭУ
= (ИГЭУ
+ИВЭУ
)/Qп
= (2200+5800)/15300=0,52 руб./МДж = 1,9 руб./ кВт·ч.
Таким образом, использование возобновляемых источников энергии может быть эффективным. Для обеспечения требуемой надежности энергоснабжения необходимо предусмотреть резервный источник энергии, работающий на органическом топливе