Основные параметры гидроаккумулирующей электрической станции малой мощности

 

В статье приведена методика определения основных параметров гидроаккумулирующей электрической станции малой мощности, действующей на основе использования солнечных и ветроэнергетических установок для аккумулирования гидравлической энергии.

 

The article describes the method of determining the basic parameters of hydroelectric power station of low power, acting through the use of solar and wind power plants for storage of hydraulic energy

 

Для автономных микроэнергетических установок, аккумулирование энергии является необходимым мероприятием, которое повышает эффективность и бесперебойность энергоснабжения. В ныне существующих микроэнергетических установках аккумулирование энергии осуществляется в основном электрохимическими аккумуляторами, что значительно повышает себестоимость производимой энергии, особенно при увеличении мощности установок. Анализ и сравнение имеющихся способов аккумулирования энергии показал, что среди них гидроаккумулирование является наиболее эффективным и приемлемым [1,2].

В качестве основных параметров гидроаккумулирующей электрической станции (ГАЭС) малой мощности, комбинированно действующих на базе возобновляемых источников (рис.1) можно выделить следующих показателей:

Рис.1. Схема ГАЭС малой мощности: 1 – гидротурбинная установка; 2 – насосная установка; 3 – солнечная энергетическая установка; 4 – ветроэнергетическая установка; 5 – верхний резервуар; 6 – нижний резервуар

 

1.                Максимальный объём верхнего и нижнего резервуаров, Vmax
2.                Мощность насосной установки, NН
3.                Мощность гидротурбинной установки (ГТУ), NГТУ
4.                Мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ), NВ
5.                Мощность солнечной энергоустановки (СЭУ), NС
6.                Напор гидроэнергетического блока, Н

При выборе основных параметров ГАЭС величина показателей гидроэнергетического блока (гидротурбинная и насосная установки) имеет важное значение. Это связано с тем, что вследствие необходимости гидравлического аккумулирования энергии основным составляющим компонентом ГАЭС является гидроэнергетический блок, а солнечные, ветровые установки или другие источники чаще всего работают для привода насосной установки и поэтому они являются вспомогательными компонентами. Поэтому их основные параметры должны иметь такие величины, которые обеспечивали бы необходимые мощности насосной установки. Таким образом, определение оптимальных значений мощности насосной установки послужит основой для уточнения основных параметров питающей её установки (солнечной или ветровой).

При определении основных параметров ГАЭС надо учитывать тот фактор, что их величины напрямую зависят от характера графика энергопотребления.

Например, для типичных энергопотребителей, занимающихся индивидуальным производством график энергопотребления имеет вид, представленный на рис.2.

Данный график имеет детерминированный характер, так как нагрузки индивидуальных производителей в почасовом разрезе можно определить весьма точно, и изменение их значений имеет ступенчатообразную форму.

Рис. 2. График режима работы микроэнергетических установок с гидроаккумулированием энергии

 

По графику видно, что в период минимальных нагрузок (0 — 8, 18 — 24 часов) основная часть мощности ВЭУ послужит для питания насосной установки, которая подает воду в верхний бассейн, а другая часть идет на покрытие нагрузки. В период производственного цикла (8 — 18) для покрытия нагрузки используются ВЭУ, а также ГЭУ, работающей на основе подачи воды из верхнего бассейна. При этом мощность СЭУ полностью используется для подачи воды из нижнего в верхний бассейн.

Требование гарантированной подачи электроэнергии обуславливает даже при кратковременных простоях ВЭУ и СЭУ (это вполне возможно при неблагоприятных погодных условиях) обеспечить выработку электроэнергии за счет использования аккумулированной энергии. При этом должно выполняться следующее условие

VНУ = Vmax(1)

где VНУ — объем воды, перекаченный насосной установкой в верхний резервуар.

Vmax — максимальный объем верхнего резервуара.

Определение максимального объёма верхнего резервуара, который гарантированно обеспечивает покрытие графика нагрузки, определяется следующей зависимостью

м3 (2)

где, - КПД установки в турбинном режиме.

- продолжительность периода

- величина нагрузки в момент .

Hmi — напор гидротурбинной установки в момент

Этого объёма достаточно для удовлетворения нужд потребителя в электроэнергии в течение сутки. По мере срабатывания верхнего резервуара его объём уменьшается, и это требует принятия мер по перекачки из нижнего резервуара сработанного объема воды обратно в верхний резервуар. Эту функцию выполняет насосная установка, питаемая от ВЭУ или СЭУ. Объём воды, который перекачивается в верхний резервуар, определяется следующим образом

(3)

где, ηн — КПД установки в насосном режиме.

HНi — напор насосной установки в момент

Расчеты по определению объема воды, который необходимо запасать или срабатывать, а также мощности насосной и гидротурбинной установки производим в последовательности, приведенной в таблице 1.

При почасовом сравнении параметры, приведенные в таблице можно определить таким образом

(4)

соответствует объёму воды в верхнем резервуаре, который образовался после первого часа работы турбинного агрегата.

Vmax — максимально возможный объем верхнего резервуара.

 

Таблица 1

Определение объема воды в верхнем резервуаре и мощности гидроэнергетического блока.

Время суток	Величина нагрузки Р, кВт	Объём верхнего резервуара, V, м3	Сработан-ный объём воды, Vт, м3	Поданный в верхний бассейн объем воды, Vн, м3	Мощность гидротурбин-ной установки, NГТУ, кВт	Мощность насосной установки, NН, кВт
0 –1	Р1	V1		ΔVн1		Nн1
1 — 2	Р2	V2		ΔVн2		Nн2
2 — 3	Р3	V3		ΔVн3		Nн3
......	......	......	......	......	......	......
8 — 9	Р9	V9	ΔVт1		N1ГТУ	Nн9
9 — 10	Р10	V10	ΔVт2		N2ГТУ	Nн10
......	......	......	......	......	......	......
17 — 18	Р18	V18	ΔVт9		N9ГТУ	Nн18
......	......	......	......	......	......	......
23 — 24	Р24	V24		ΔVн24		NН24

 

Последующие объёмы определяются по следующей формуле

(5)

где, - объём воды, перекаченный в верхний резервуар.

Мощность насосной установки для перекачки объёмов воды в течение времени tiопределяется по следующей зависимости

; (6)

Мощность гидротурбинной установки при подачи воды из верхнего резервуара определяется как,

; кВт (7)

Как было отмечено выше, мощность ветроэнергетической установки NВ и мощность солнечной энергоустановки NСопределяются исходя из максимальной мощности насосной установки, т. е. можно принимать NС = NНмах , NВ = NНмах

Напор гидроэнергетического блока можно определить следующими зависимостями

 — в насосном режиме;

 — в турбинном режиме

где ΔН — величина потери напора в трубопроводной системе.

Таким образом, данная методика послужит основой для определения эффективности гидроаккумулирующей электрической станции малой мощности и может быть использована при разработке системы управления работой установок на базе возобновляемых источников в условиях гидравлического аккумулирования энергии.

 

Литература:

 

1.                Елистратов В.В. Использование возобновляемых источников энергии: проблемы и решения // Сб. науч.тр. «Научная школа академика Ю.С. Васильева в области энергетики и охраны окружающей среды» — С. Петербург.: СПбГТУ. 2004. — 63 — 71 с.
2.                Уришев Б.У., Мамадиёров Э.К. Гибридные энергетические установки на базе возобновляемых источников с гидравлическим аккумулированием энергии. — Ташкент.: Фан, 2007. — 136 с.