РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

УДК 004.9:620.9 ББК 32.373 Р 31

Бучацкий Павел Юрьевич

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: buch@adygnet.ru Теплоухов Семен Васильевич

Старший преподаватель кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: mentory@mail.ru Онищенко Стефан Владимирович

Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: stefan.onishchenko@mail. ru Платонов Антон Сергеевич

Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: just.my.post2@gmail.com Авджиян Артем Андреевич

Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп,

e-mail: wfrsnkk@gmail.com

Авдеев Владислав Евгеньевич

Студент инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: avdeev.v19@gmail.com

Реализация программно-аппаратного комплекса для оценки энергетического потенциала возобновляемых источников энергии

(Рецензирована)

Аннотация. Рассмотрен подход к созданию программно-аппаратного комплекса для получения метеорологических данных. Реализован прибор для получения данных о скорости ветра, рассмотрено программное обеспечение для их обработки. На основе полученных результатов возможно составление рекомендаций по подбору наиболее оптимальной системы энергоснабжения, использующей возобновляемые источники энергии.

Buchatsky Pavel Yuryevich

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593911, e-mail: buch@adygnet.ru Teploukhov Semen Vasilyevich

Senior Lecturer of Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593911, e-mail: mentory@mail.ru Onishchenko Stefan Vladimirovich

Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: stefan.onishchenko@mail.ru Platonov Anton Sergeevich

Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: just.my.post2@gmail.com Avdzhiyan Artem Andreevich

Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: wfrsnkk@gmail.com

Avdeev Vladislav Evgenyevich

Student of Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, e-mail: avdeev.v19@gmail.com

Implementation of the power assessment appliance for renewable energy sources

Abstract. The work deals with the approach to the creation of a software and hardware complex for obtaining meteorological data. A device for obtaining data on wind speed is implemented, software for their processing is considered. Based on the results obtained, it is possible to draw up recommendations for the selection of the best energy supply system using renewable energy sources.

В современном мире все более актуальным становится использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для обеспечения потребителей энергией. Обусловлено это быстрым ростом потребляемых мощностей и ограниченным количеством традиционных

энергетических ресурсов в конкретной местности. Для принятия решения об использовании альтернативных источников энергии необходимо рассчитать теоретические значения энергетического потенциала в заданном районе и затем на основании этих сведений составить рекомендации по подбору наиболее эффективной конфигурации комплексной системы энергоснабжения. Вопрос о применении таких систем энергоснабжения наиболее актуален для удаленных и труднодоступных участков местности, например, где нет доступа к линиям электропередач. Однако возникает проблема отсутствия необходимых для оценки энергетического потенциала ВИЭ метеорологических данных. Возможным решением может стать применение автономного программно-аппаратного комплекса, позволяющего получить все необходимые сведения. В работах [1, 2] приведено описание программного модуля, в котором на основе данных о расположении потребителя и сведениях о многолетних метеорологических наблюдениях рассчитываются теоретические значения приходящей солнечной радиации. Актуальными являются сведения о скорости ветра, особенно для удаленных участков, расположенных вдали от метеорологических станций, так как для них нет достаточного количества ретроспективной информации.

Для решения этой задачи был создан прибор, позволяющий производить сбор и запись данных о значениях скорости ветра - анемометр [3], удовлетворяющий следующим требованиям:

- невысокая стоимость;

- доступность и простота комплектующих;

- простота и надежность конструкции;

- приемлемая точность.

Для реализации проекта было решено использовать платформу Агёшпо, а именно плату АгёшпоЦКО, с микроконтроллером АШе1АТте§а 328, которая имеет невысокую стоимость и полностью удовлетворяет нашим требованиям. В качестве данных мы получаем информацию о количестве полуоборотов, совершенных лопастями устройства. Далее число оборотов переводится в значение скорости в м/с согласно формуле (1):

V = 2^лй, (1)

где V - скорость ветра, м/с; I - интервал считывания данных, с; С - число оборотов за интервал 1; ё - размах лопастей (диаметр), м;

Для наблюдения графика изменения скорости ветра в реальном времени можно воспользоваться стандартным плоттером по последовательному соединению в АгёшпоГОЕ. Однако он на данный момент обладает весьма ограниченным функционалом. Хорошим решением для наших задач явилась программа БУМопког (рис. 1) [4].

Рис. 1. Вывод графика в программе SVMonitor - 104 Численные значения в реальном времени можно выводить непосредственно в COM-порт устройства. Однако данный метод не решает задачу автономности, поэтому была реализована возможность записи полученных значений скорости ветра на SD-карту (рис. 2). Программный код вначале определяет, подключена ли SD-карта. Часть программного кода, отвечающая за инициализацию SD-карты и запись данных в нее:

Fileresults; voidsetup() {

if (!SD.begin(CS_pin)) { //ИнициализацияSD-карты Serial.println("initialization failed"); return; } else {

Serial.println("Wiring is correct and a card is present."); }

SD.remove("results.csv"); //Создание заголовков в файле String header = "Time; Count; Speed"; results = SD.open("results.csv", FILE_WRITE);

if (results) { results.println(header);

results.close(); }

Serial.println("Couldn&t open file"); }

voidloop(void) {

results = SD.open("results.csv", FILE_WRITE); //Записьзначенийвфайл if (results) {

String myString = Time + ";" + String(total_cnt) + ";" + String(val/cnt_val); myString.replace(".", ","); results.println(my String);

results.close(); }

------ - ¡г.........

Рис. 2. Схема подключения

В случае успешной инициализации на карте создается файл results.csv. В этот файл в каждый момент вычисления записывается время, прошедшее после соединения (столбец Time), количество оборотов (столбец Count) и скорость ветра в м/с (столбец Speed). Записанные таким образом в таблицу данные могут быть с легкостью представлены в графическом виде. В дальнейшем планируется подключения датчика освещенности, необходимого для получения сведений о формировании облачности, датчика температуры и влажности, а также модуля Wi-Fi, позволяющего удаленно передавать данные на компьютер пользователя.

Для обеспечения автономности устройства на данном этапе используется внешний аккумулятор (PowerBank). Для обеспечения полной автономности устройства на длительный период времени можно использовать аккумуляторную батарею с возможностью подзарядки от небольшой солнечной панели.

По полученным значениям скорости ветра можно рассчитать теоретическое количество вырабатываемой энергии. Удельная мощность ветрового потока представляется как ос-редненная величина за расчетный период, поэтому необходимо знать осредненную величину v3. Для этого требуется знать распределение повторяемости скорости ветра, которую можно определить для каждого месяца по данным наблюдений.

Тогда по функции распределения скорости ветра f (v) можно определить ожидаемую среднюю мощность ветрового потока за расчетный период (Вт/м2) [5]:

Среднее значение мощности ветрового потока рекомендуется определять за сутки [5]. Тогда скорость ветра, при которой ожидается среднесуточная мощность ветрового потока, представляется как энергетическая характеристика ветра. Зависимость энергетической характеристики ветрового потока от средней скорости ветра хорошо аппроксимируется уравнением вида:

^ср.м = 1,4 + 1,Чр , (3)

где Усрм - средняя скорость ветра за месяц, м/с.

По полученным данным построены графики скорости ветра за период проведенных наблюдений и данным из открытых источников (рис. 3). По оси абсцисс откладываются временные интервалы измерений. По оси ординат - значения скорости ветра.

т-ч \\ \\ \\ \\ - Ж / Л i Iii

> г А 1

\\ \\А \\ i \\\\ 1 \\ i 1 \\ 1 \\

\\Л\\ / V

yi / \\ У ДА V 1 А д-I-L W

* 1 \\ 1& \\ У М / /у <

— Данные из открытых

источников 1 Измеренные данные

Интервалы измерений, час

Рис. 3. Данные о скорости ветра из открытых источников и полученные путем измерения устройством

Сравнение графиков показало, что устройство обеспечивает достаточную точность измерений, что в свою очередь позволяет производить дальнейшие расчеты. Различие между данными обусловлено невыгодным расположением нашего устройства, находящимся на территории университета в зоне плотной застройки.

Для расчета теоретического значения ветроэнергии за рассматриваемый период воспользуемся выражением (2). Для этого нужно рассчитать плотность воздуха по уравнению Менделеева-Клапейрона [7]:

Р = ^ (4)

За рассматриваемый период средние значения температуры и давления были равны 12°С и 100 кПа соответственно. Величина плотности равна: р=1,21 кг/м3. За расчетный период значение Уср = 2,4 м/с . Подставляя полученные значения в выражение, получим:

N о = 11,21(2,43) = 8,36 Вт/м2.

Для определения адекватности полученного значения воспользуемся данными о теоретических значениях ветроэнергии [6].

Таблица 1

Зависимость мощности ветрового потока от его скорости

knV, м/с 2 3 4 5 10 14 18 20 23 25

P 1 уд Вт/м2 4,9 16,55 39,2 76,6 613 1682 3575 4904 7458 9578

Количество полученной энергии будет равно приблизительно 3,4 Вт. Следует отметить, что данные значения получены для ветроколеса, имеющего площадь лопастей всего 1 м2, а данные о скорости ветра измерялись на небольшой высоте над землей (не более 10 метров).

В дополнение к полученным сведениям, используя разработанный программный комплекс [1], можно рассчитать значение приходящей солнечной радиации в условиях конкретного местоположения потребителя. Проведены расчеты, которые для территории университета показывают среднегодовое значение в 1270 кВт-ч/м2 (рис. 4).

I] Главнее окно

Файл Настройки О программе Широта

Долгота

Ближайший город

Майкоп

Рассчитанное значение:

Максимальное теоретическое значение солнечной радиации 1269.563843 кВатт/м2

= Поиск на Google Картах

Показать время в пути, пробки и места поблизости

пРрлегарсК£ 2

Круглосуточный Л :а"ул магазин т

Мрэо ГИБДД S

площадь з Ленина §

сф фС

цилия Длыгрйгкий Министерство

МЕГАПРИНТО АДЬ"^™" . здравоохранения т государственный -•ш Муниципг § бюдже

^ерс«*, уп . i

государственный ^Рвомайс^. технологический ая университет

университет Майкопский ^ §

Зоомагазин-Жако \\

УЛ ПеР0омайскач

Адыгейская >в республиканская...

Пивоваренный завод Майкопский

ГИБДД Г. Майкоп >

Ф завод

Мини-гостиница Сияние ^ ИЛенину

Р Гостиница и Кафе &НАРТ"

ул. Первомайская, 208

Майкоп, Республика Адыгея, 385.. 44.604460,40.110214

Вететеоинарнч,

до * -а

I" Т т_т

■. | гс :: к: 1Г41 :и 1" i II j 8 Smjgle.201 9

Рис. 4. Расчет среднегодового значения солнечной радиации

Однако нужно обратить внимание, что эти вычисления проводились без учета облачности. Для этого в аппаратный комплекс необходимо добавить возможность получения этого показателя. Это позволит существенно повысить точность вычислений.

Таким образом, разработанный аппаратно-программный комплекс был протестирован в реальных условиях, что позволило получить данные о средней скорости ветра, на основе которых проведен расчет теоретического значения ветроэнергии. Предлагаемый комплекс необходимо модернизировать путем добавления модуля для оценки облачности, модуля Wi-Fi, а также подключения солнечной панели для повышения автономности.

Примечания:

https://github.eom/Tyill/SVisual/blob/master/man/ru/S VManualRU.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

References:

https://github.com/Tyill/SVisual/blob/master/man/ru/S VManualRU.pdf (access date: 10.07.2019).