Введение
Современные тенденции преобразования энергосистем стран, в том числе и России, отличаются наращиваем мощностей в сегменте малой распределенной энергетики. Подобные тенденции являются ответом на проблемы роста дефицита генерирующих мощностей, поиска путей обеспечения надежности энергоснабжения, в том числе потребителей, удаленных от централизованных сетей.
Распределенная энергетика – концепция построения энергетической системы на основе источников энергии, размещенных у потребителей. «Множество технологий распределенной генерации энергии охватывают установки мощностью до 25 МВт(э), включая нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» [1].
Переход от централизованной энергетики к комбинации централизованной, средней и малой распределенной является перспективным для России. В нашей стране на сегоднешний день на источники распределенной генерации приходится около 7% от общего объема выработки электроэнергии.
Среди возобновляемой генерации особое место занимает генерация на основе солнечной энергии [2].
Солнечное излучение на поверхность земли зависит от многих факторов:
− широты и долготы местности;
− географических и климатический особенностей;
− состояния атмосферы;
− высоты Солнца над горизонтом;
− размещения приемника солнечного излучения на земле по отношению к Солнцу и др. [3].
Следовательно, выбор – устанавливать или не устанавливать подобную систему – для физического лица достаточно сложен, что является одной из причин низкой популярности данного направления среди населения.
Целью исследования является создание приложения-симулятора по распределенной энергетике на основе солнечной генерации для популяризации данного направления среди населения, а также позволяющего пользователям сформировать первичные знания о данном виде генерации энергии, возможностях практического применения и эффектах при заданных условиях функционирования.
Для достижения поставленной цели проекта необходимо было решить определенные задачи.
1. Рассмотреть аналоги разрабатываемого решения, выявив их преимущества и недостатки.
2. Осуществить разработку проектных решений, а именно:
‒ создать общую концепцию проектируемого программного средства;
‒ разработать подсистему симуляции, позволяющую рассчитывать нагрузки дома, на основании которых выбираются мощности источника;
‒ разработать подсистему подбора параметров самого источника энергии и параметров его установки в зависимости от климатических условий размещения дома;
‒ разработать подсистему расчета дефицита или объем излишков электроэнергии;
‒ разработать аналитическую подсистему, позволяющую продемонстрировать экологический и экономический эффекты.
3. Осуществить выбор средств разработки и реализовать программное средство.
Материалы и методы исследования
Основными методами исследования являются теоретические: анализ литературы по проблеме, моделирование, обобщение полученных данных, методы программной инженерии.
Результаты исследования и их обсуждение
Sunny Design – программное обеспечение для планирования и проектирования фотогальванических систем.
Калькулятор солнечных батарей (Технолайн) – web-сервис для приблизительного расчета выработки электроэнергии от домашней солнечной электростанции, окупаемости и стоимости солнечных панелей [4].
SolarCT – мобильное приложение-калькулятор для расчета компонентов солнечной системы. Помогает в расчетах солнечной радиации, времени работы от батареи, характеристик проводов и потребления отдельных электроприборов [5].
PVSYST – программный пакет для архитекторов, инженеров и исследователей, удобный для изучения работы фотоэлектрических систем. Он содержит обширную библиотеку данных и руководство по проектированию солнечных электростанций [5].
Выявленные плюсы и минусы приведенных выше аналогов представлены в таблице.
Достоинства и недостатки некоторых программ
|
Программное обеспечение |
Сильные стороны |
Слабые стороны |
|
Sunny Design |
Широкий функционал, удовлетворяющий потребности инженеров. Подробная документация. Возможность работы в 3D-режиме. Анализ разработанных систем |
Ограниченность бесплатной web-версии. Высокий порог входа для новичков. Требуется доступ в интернет для Desktop-версии |
|
Калькулятор солнечных батарей (Технолайн) |
Простой интерфейс. Бесплатное использование. Шаблоны электроприборов для расчета нагрузки |
Ограниченное количество выводимых данных. Нет настройки направления солнечных панелей. Только веб-версия |
|
SolarCT |
Бесплатное использование. Имитация потребления электроэнергии. Режим напоминания для ручного поворота панелей |
Наличие рекламы. Недоработанный пользовательский интерфейс |
|
PVSYST |
Обширная библиотека данных. Подробное руководство по проектированию |
Моделирует только PV-системы, не может анализировать гибридные электростанции |
В целом, каждый из аналогов имеет свои сильные и слабые стороны. Sunny Design предлагает наиболее полный функционал для проектирования солнечных систем, но требует более высокого уровня квалификации и может быть менее доступен для новичков. Калькуляторы солнечных батарей от «Технолайн» и SolarCT предоставляют более простой подход к расчетам, что может быть полезно для начинающих пользователей, однако они имеют ограничения в функционале и возможностях настройки. PVSYST предлагает обширную библиотеку данных и мощные инструменты для моделирования, включая построение расчет потерь от затенений, но он может анализировать только PV-системы и не поддерживает гибридные электростанции, что ограничивает его гибкость.
Разработанное приложение позволяет объединить положительные стороны данных аналогов, а именно: получить подробные данные о выработке электроэнергии солнечными батареями с учетом работающих в доме электроприборов, экономическом и экологическом эффекте от установки солнечной электростанции с учетом наклона и направления солнечных панелей, а также учитывая географическое расположение объекта, при этом имеет наглядный пользовательский интерфейс, дающий возможность неопытным пользователям применять ПО.
Сформулируем базовые требования к разрабатываемому симулятору «Солнечная электрогенерация».
Бизнес-цели
Бизнес-цель 1. Обеспечение доступности в понимании особенностей размещения источников энергии в определенных географических точках.
Бизнес-цель 2. Обеспечение простоты расчетов необходимых мощностей энергетических источников.
Критерии успеха
Критерий успеха 1. Проработка физико-математической модели зависимостей выработки энергии от условий в определенных географических точках.
Критерий успеха 2. Простота работы и подбора параметров в симуляторе, дружественный интерфейс.
Факторы бизнес-риска
Фактор бизнес-риска 1. Ориентация тренажера на подбор оптимального размещения и установки комплексов источников энергии, а не по их составным частям, повышает надежность и совместимость, но ограничивает гибкость подбора оборудования.
Рис. 1. Диаграмма прецедентов
Рис. 2. Интерфейс приложения
Фактор бизнес-риска 2. Симулятор не будет отвечать потребностям пользователей в части расчета затрат и окупаемости.
Ограничения
Ограничение 1. Первая версия симулятора будет поддерживать только расчеты, связанные с генерацией на основе солнечной энергии на стационарных установках, не обеспеченных системой типа «подсолнух».
Ограничение 2. Усредненные показатели потребляемой энергии за год.
Ограничение 3. Не ведется соотнесение имеющейся и необходимой площади размещения оборудования.
Ограничение 4. Учет компонента рассеивания светового потока ведется на основе фиксированной поправки, а не аналитически.
Образ решения
Симулятор должен реализовывать следующие функциональные возможности, представленные на диаграмме прецедентов (рис. 1).
Для реализации указанных функций должны быть разработаны следующие подсистемы:
1) расчета нагрузки дома, на основании которой выбираются мощности источника;
2) подбора параметров самого источника энергии и параметров его установки в зависимости от климатических условий размещения дома;
3) расчета энергобаланса – дефицита или объема излишков электроэнергии;
4) расчета экономической и экологической эффективности, позволяющей продемонстрировать экологический (при сравнении с традиционными источниками энергии, использующими углеводородное сырье) и экономический (точка безубыточности, доход от продажи электроэнергии) эффекты от реализации решения (например, доход от продажи электроэнергии).
Подсистема расчета нагрузки дома, на основании которой выбираются мощности источника: подсистема предоставляет перечень оборудования, потребляющего энергию в жилом помещении, с указанием потребляемой мощности.
Подсистема подбора параметров самого источника энергии и параметров его установки в зависимости от климатических условий размещения дома.
Данная подсистема в плане реализации является наиболее сложной. И.В. Староконем [6] подробно описан математический аппарат для оценки интенсивности солнечного излучения в условиях разных географических положений на конкретный момент времени. Взяв за основу приведенные зависимости и дополнив их исследованиями Х.Б. Назирова, С.А. Абдулкеримова [7], Л.М. Абдалиева, В.В. Кувшинова [8], итоговую генерацию панели от прямого излучения солнца в момент времени в тренажере можно рассчитать как:
P = Pмакс × cosθ,
где Pмакс – максимальная мощность панели (формулы расчета в рамках данной работы приведены не будут);
cosθ – косинус угла падения прямого солнечного излучения на поверхность панели.
Реализация функции выбора и установки источников энергии включает необходимые расчеты и позволяет оперировать данными по климатическим зонам. В будущем данная модель будет дополнена оценкой ожидаемой солнечной генерации на основе статистических данных, пример которой подробно продемонстрирован Т.Е. Миловановым [9].
Подсистема расчета энергобаланса
Расчет энергобаланса солнечных панелей осуществляется путем вычисления разности сгенерированной энергии и потребленной энергии за определенный промежуток времени.
Подсистема расчета экономической и экологической эффективности
Разработка данной подсистемы в симуляторе осуществляется:
− в экономической части – на основе расчета точки безубыточности;
− в экологической части – путем сопоставления полученного объема энергии солнечной генерации с «грязными» способами c выделением парниковых газов.
В качестве среды разработки проектного решения был выбран игровой движок Unity, который позволяет собрать приложение под WebGL.
Реализован интерфейс работы с приложением (рис. 2). Указываются: широта, долгота, время, угол наклона, параметры панели и подключенные электроприборы.
Разработанная программная логика симулятора обеспечивает позиционирование панели на сцене приложения в соответствии со сторонами света; созданы настраиваемые панели, позволяющие увидеть и редактировать информацию об объектах; производится расчет энергобаланса выработки и потребления.
Заключение
Разработанное приложение покрывает все обозначенные бизнес-цели, а именно обеспечивает доступность в понимании особенностей выработки энергии при различных условиях, а также позволяет произвести расчеты необходимых мощностей исходя из потребления конкретного пользователя. Приложение расширяемо и в последующем будет учитывать дополнительные факторы, такие как среднестатистическая пасмурность и др. Приложение также может найти свое применение в ознакомлении с проблемой солнечной генерации в рамках мастер-классов для школьников и введении в специальность студентов первого курса по направлениям подготовки, связанным с энергетикой.