Обгрунтування вибору параметрів гібридної сонячно-вітрової системи для підвищення ступеню самоспоживання об'єкта

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення ступеню самоспоживання локальних об’єктів на основі обґрунтованого вибору параметрів обладнання гібридних енергетичних систем з оцінюванням ефективності їх функціонування. Метою роботи є розроблення методу вибору параметрів обладнання підключеної до розподільної мережі сонячно-вітрової гібридної системи та оцінювання ступеню самоспоживання об’єкта для зменшення витрат на електроенергію, що споживається з мережі. Об’єкт дослідження – енергетичні процеси, що протікають в підключеній до розподільної мережі гібридній сонячно-вітровій системі з акумуляторною батареєю для електроживлення локального об’єкта. Предмет дослідження – обґрунтування вибору параметрів гібридної сонячно-вітрової системи електроживлення локального об’єкта для підвищення ступеню самоспоживання. У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження щодо обґрунтованого вибору параметрів гібридної сонячно-вітрової системи для підвищення ступеня самоспоживання об'єкта, визначені задачі роботи, показано зв'язок з науковою проблематикою, наведені відомості про наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, їх апробацію та публікації. У першому розділі проведений аналіз гібридних енергетичних систем, які знайшли найбільш широке використання на практиці. Визначено особливості побудови підключених до мережі гібридних систем з відновлюваними джерелами енергії для забезпечення власних потреб локальних об’єктів. Підвищення надійності електропостачання досягається використанням фотоелектричної батареї та вітрогенератора як джерел відновлюваної енергії в поєднанні з акумуляторною батареєю. Показана доцільність використання вітрогенератора вертикального типу, як допоміжного джерела живлення меншої потужності, для забезпечення генерації у нічний час та вирівнювання генерації у зимовий період. За результатами аналізу інформаційних джерел обрано базову конфігурацію гібридної системи для проведення досліджень. Розроблено бібліографічну базу даних гібридних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії. Проаналізовано методи оцінювання генерації відновлюваних джерел енергії. Показано доцільність використання архівних даних щодо надходження сонячної радіації та швидкості вітру з відкритих інформаційних ресурсів для визначення потужностей обладнання підключених до мережі гібридних сонячно-вітрових систем з акумулятором. Розглянуто методи оптимізації, що використовують в гібридних енергетичних системах, які підбирають в залежності від здач дослідження. Для пошуку оптимальної конфігурації гібридної системи знайшли переважне використання техніко-економічні показники. Визначено, що процедура оптимізації не завжди призводить до найкращого результату, а надає наближений до оптимального результат, тому не може розглядатися як універсальний інструмент розрахунку параметрів гібридних систем на основі відновлюваних джерел енергії. Показано, що розробка та аналіз гібридних електроенергетичних систем для самоспоживання об’єктів є достатньо складним завданням та потребує використання інструментів інформаційно-програмної підтримки. У другому розділі оцінено генерацію відновлюваних джерел у складі гібридної сонячно-вітрової системи для електроживлення локального об’єкта. За допомогою статистичного аналізу розраховано вітроенергетичні характеристики та обрано локацію у передмісті Києва, перспективну для встановлення вітрогенератора; визначено основні технічні параметри вітрогенератора для досліджуваної локації. Здійснено опис характеристики потужності вітрогенератора у вигляді дискретно-параметричної моделі, для апроксимації ділянок якої було використано поліноміальну функцію. Здійснено оцінку продуктивності вітрогенератора через функцію густини розподілу Вейбула та за реальними (фактичними) даними потужності вітрогенератора. При використанні архівної інформації щодо швидкості вітру з дискретністю 1 година з бази даних PVGIS доцільним є спосіб знаходження енергії вітрогенератора за фактичними (дискретними) значеннями потужності методом чисельного інтегрування. Здійснено оцінку виробництва сонячної енергії фотоелектричною системою. Обґрунтовано можливість використання в розрахунках параметрів гібридних систем архівних даних сонячної генерації, завантажених безпосередньо з системи PVGIS. Розвинуто метод визначення сумарної генерації відновлюваних джерел енергії, особливістю якого є перерахунок потужностей фотоелектричної батареї та вітрогенератора відносно встановлених потужностей джерел генерації та у відповідності до величини прийнятого навантаження. Розглянуто застосування методу для розрахунку потужностей відновлюваних джерел енергії для спрощеної конфігурації гібридної системи. У третьому розділі визначено показники для кількісної оцінки ефективності функціонування гібридних систем на основі відновлюваних джерел енергії для самоспоживання об’єкта. Для оцінки економічної вигоди для споживача запропонований показник зменшення витрат на споживання з розподільної мережі. Визначено структуру гібридної сонячно-вітрової системи з акумулятором для власних потреб. Запропонований принцип реалізації гібридної системи для умовного локального об’єкта з однозонною тарифікацією, коли нічна плата за споживання з мережі не використовується, та який передбачає тільки один цикл глибокого розряду акумулятора у вечірній пік, що дозволяє збільшити термін експлуатації акумулятора та уникнути споживання з мережі у години пікового навантаження. Розвинуто метод розрахунку параметрів обладнання гібридної системи з АКБ для власного споживання об’єкта у відповідності до прийнятого графіку навантаження та коефіцієнту зменшення витрат на електроенергію, що споживається з мережі. Враховані граничні умови для генерації відновлюваних джерел енергії: відсутність вітру або сонячного випромінювання, що дозволило зменшити встановлену потужність відновлюваних джерел енергії. Надані рекомендації щодо формування ступеню заряду акумулятора. У четвертому розділі представлений покроковий опис алгоритму розрахунку параметрів мережевої гібридної сонячно-вітрової системи з акумулятором для підвищення ступеню самоспоживання об’єкта. За розробленим алгоритмом було створено програмне забезпечення у вигляді застосунку для персонального комп'ютера. Розроблена програма дозволяє зручно завантажувати вхідні дані з онлайн-сервісу PVGIS, задавати різні значення коефіцієнтів та параметрів системи, виконувати розрахунки. Програма надає детальні результати на всіх етапах розрахунків та кінцеві дані, зокрема показник ефективності, що характеризує економію коштів за оплату споживаної з мережі електроенергію. Робота програми була перевірена на контрольному прикладі. Наведено рекомендації щодо подальшого вдосконалення розробленого програмного забезпечення, включаючи перехід до реляційної бази даних, візуалізацію результатів та реалізацію веб-застосунку. У висновках представлено узагальнення наукових результатів, отриманих під час розв'язання поставлених задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: - вперше встановлено взаємозалежності між параметрами гібридної сонячно-вітрової системи з акумуляторною батареєю для власного споживання об’єкта з заданим графіком навантаження, які враховують граничні умови для генерації відновлюваних джерел (відсутність вітру або сонячного випромінювання), що дозволяє здійснити коригування встановленої потужності обладнання гібридної системи та підвищити ступінь самоспоживання об’єкта; - удосконалено підхід до визначення середньомісячних значень енергії відновлюваних джерел в гібридній енергетичній системі локального об’єкта, який передбачає використання архівних статистичних даних щодо швидкості вітру та сонячної генерації за багаторічний період в місці розміщення об’єкту, що дозволяє оперативно оцінити генерацію відновлюваних джерел в обраній локації (передмістя Києва) за часовими інтервалами відповідно до графіку навантаження; - набула подальшого обґрунтування концепція щодо використання в гібридній енергетичній системі локального об’єкта вітрогенератора як додаткового джерела живлення малої потужності, який дозволяє збільшити сумарну генерацію відновлюваних джерел енергії в зимовий період, забезпечуючи зменшення споживання електроенергії з мережі до бажаного рівня. Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному: 1. Розроблено рекомендації щодо формування стану заряду акумулятора, спрямовані на мінімізацію заряду у нічний час з одним циклом глибокого розряду на добу, що дозволить підвищити термін експлуатації акумуляторної батареї. 2. Складений алгоритм розрахунку параметрів мережевої гібридної сонячно-вітрової системи з акумулятором з оцінкою показників ефективності функціонування системи та розроблене програмне забезпечення у вигляді застосунку для персонального комп’ютера. 3. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри комп’ютерної інженерії та електромеханіки Київського національного університету технологій та дизайну при викладанні дисциплін "Відновлювальні джерела електроенергії", "Комбіновані системи електроживлення і забезпечення якості електроенергії" на третьому (освітньо-науковому) та "Інноваційні технології електроенергетики, електротехніки та електромеханіки" на першому (бакалаврському) рівнях вищої освіти.

The dissertation work is devoted to the solution of the actual scientific and practical problem of increasing the degree of self-consumption of local objects based on the justified choice of equipment parameters of hybrid energy systems with the evaluation of the efficiency of their functioning. Objective of the work is the development of a method for selecting the parameters of the equipment of a solar-wind hybrid system connected to the distribution network and assessing the degree of self-consumption of the facility to reduce the cost of electricity consumed from the grid. Object of research – energy processes occurring in a hybrid solar-wind system connected to the distribution grid with a storage battery for the power supply of a local object. Subject of research – substantiation of the choice of parameters of a hybrid solar-wind system for increasing the degree of self-consumption of the object. The introduction substantiates the relevance of the research topic on the reasonable choice of parameters of a hybrid solar-wind system to increase the degree of self-consumption of the object, defines the tasks of the work, shows the connection with scientific problems, provides information on the scientific novelty, practical significance of the results, their testing and publication. The first section analyzes hybrid energy systems that are most widely used in practice. The peculiarities of building grid-connected hybrid systems with renewable energy sources to meet the own needs of local facilities are determined. Increasing the reliability of the power supply is achieved by using a photovoltaic battery and wind generator as sources of renewable energy in combination with a storage battery. The expediency of using a vertical wind generator as an auxiliary power source of lower power to ensure generation at night and to level out generation in winter is shown. Based on the results of the analysis of information sources, the basic configuration of the hybrid system was selected for research. A bibliographic database of hybrid energy systems with renewable energy sources has been developed. The methods for estimating the generation of renewable energy sources are analyzed. The expediency of using archival data on solar radiation and wind speed from open information resources to determine the capacity of equipment of grid-connected hybrid solar-wind systems with a storage battery is shown. The optimization methods used in hybrid energy systems are considered, which are selected depending on the research results. To find the optimal configuration of a hybrid system, technical and economic indicators are predominantly used. It has been determined that the optimization procedure does not always lead to the best result but provides a result close to the optimal one, so it cannot be considered as a universal tool for calculating the parameters of hybrid systems based on renewable energy sources. It is shown that the development and analysis of hybrid electric power systems for self-consumption of objects is a rather complex task and requires using informational and software support tools. The second section evaluates the generation of renewable energy sources as part of a hybrid solar-wind system for the power supply of a local facility. Using statistical analysis, the wind power characteristics are calculated and a location in the suburbs of Kyiv is selected that is promising for installing a wind generator; the main technical parameters of the wind generator for the studied area are determined. The power characteristics of the wind generator are described in the form of a discrete-parameter model, for the approximation of which a polynomial function was used. The performance of the wind generator is estimated using the Weibull distribution density function and real (actual) data of the wind generator power. When using archival information on wind speed with a 1-hour discreteness from the PVGIS database, it is advisable to use the method of finding the wind turbine energy from actual (discrete) power values by numerical integration. The solar energy production by a photovoltaic system is estimated. The possibility of using archived solar generation data downloaded directly from the PVGIS system in calculating the parameters of hybrid systems is substantiated. A method for determining the total generation of renewable energy sources has been developed, the peculiarity of which is the recalculation of the capacities of a photovoltaic battery and a wind generator relative to the installed capacities of generation sources and under the size of the accepted load. The use of the method to calculate the capacities of renewable energy sources for a simplified configuration of a hybrid system is considered. The third section defines indicators for quantifying the efficiency of hybrid systems based on renewable energy sources for self-consumption of the facility. To assess the economic benefits for the consumer, an indicator of reducing the cost of consumption from the distribution ggrid is proposed. The structure of a hybrid solar-wind system with a storage battery for self-consumption is determined. The proposed principle of implementing a hybrid system for a conditional local object with single-zone billing, when the night charge for grid consumption is not used, and which provides only one cycle of deep storage battery discharge in the evening peak, which allows to increase the storage battery life and avoid grid consumption during peak hours. A method of calculating the equipment parameters of the hybrid system with storage battery for the object's own consumption under the accepted load schedule and the cost reduction factor for electricity consumed from the grid has been developed. The limiting conditions for generating renewable energy sources are taken into account: the absence of wind or solar radiation, which made it possible to reduce the installed capacity of renewable energy sources. Recommendations are provided for the formation of the degree of storage battery charge. The fourth section presents a step-by-step description of the algorithm for calculating the parameters of a grid-tied hybrid solar-wind system with a storage battery to increase the degree of self-consumption of the facility. The developed algorithm was used to create software as an application for a personal computer. The developed program allows you to conveniently download input data from the PVGIS online service, set different values of coefficients and system parameters, and perform calculations. The program provides detailed results at all stages of calculations and final data, including an efficiency indicator that characterizes the cost savings for paying for electricity consumed from the grid. The program was tested on a control example. Recommendations for further improvement of the developed software are given, including the transition to a relational database, results visualization, and implementation of a web application. The conclusions present a generalization of the scientific results obtained in the course of solving the research objectives. The following scientific results were obtained in the dissertation: - for the first time, the interdependencies between the parameters of a hybrid solar-wind system with a storage battery for the self-consumption of an object with a given load schedule were established, taking into account the boundary conditions for the generation of renewable sources (no wind or solar radiation), which allows adjusting the installed capacity of the hybrid system equipment and increasing the degree of self-consumption of the object; - an improved approach to determining the average monthly values of renewable energy in the hybrid energy system of a local facility, which involves the use of archival statistics on wind speed and solar generation over a multi-year period at the location of the facility, which allows to quickly assess the generation of renewable energy sources in the selected area (suburbs of Kyiv) by time intervals following the load schedule; - the concept of using a wind turbine as an additional low-power power source in a hybrid energy system as a local wind turbine facility, which allows to increase the total generation of renewable energy sources in winter, ensuring a reduction in electricity consumption from the grid to the desired level, was further substantiated. The practical significance of the results obtained is as follows: 1. Recommendations for the formation of the storage battery charge state aimed at minimizing the charge at night with one deep discharge cycle per day, which will increase the storage battery life. 2. An algorithm for calculating the parameters of a grid hybrid solar-wind system with a storage battery with an assessment of the system's performance indicators and software as an application for a personal computer was developed. 3. The results of the dissertation have been implemented in the educational process of the Department of Computer Engineering and Electromechanics of Kyiv National University of Technologies and Design in teaching the disciplines "Renewable Energy Sources", "Combined Power Supply Systems and Power Quality Assurance" at the third (educational-scientific) and "Innovative Technologies of Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics" at the first (bachelor's) levels of higher education.