Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние и методическая база повышения энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения государственных учреждений. Обоснование задач исследования 16
1.1 Характеристика государственных учреждений как потребителей электрической энергии 16
1.1.1 Классификация 17
1.1.2 Общая характеристика систем электроснабжения (СЭС) 19
1.1.3 Критерии энергооэффективности СЭС 23
1.2 Оценка эффективности использования электроэнергии ГУ 29
1.2.1 Образовательные учреждения 30
1.2.2 Учреждения здравоохранения 41
1.2.3 Административные учреждения 43
1.3 Аналитический обзор текущего состояния исследований в области повышения энергоэффективности ГУ 43
1.3.1 Развитие интеллектуальных электрических сетей 44
1.3.2 Развитие малой распределенной энергетики и применение возобновляемых источников энергии в СЭС 49
1.3.3 Нормирование электропотребления ГУ 51
1.4 Обоснование цели и задач исследования 53
1.5 Выводы по главе 1 56
2 Интеллектуализация распределительной электрической сети 59
2.1 Основные подходы 59
2.2 Разработка концепции интеллектуальной равномерно распределенной электрической сети 61
2.2.1 Анализ существующих схем городских распределительных электрических сетей 61
2.2.2 Равномерно-распределенная сеть. Принцип компланарности
2.2.3 Типовая схема узла нагрузки 67
2.2.4 Интегрированная система управления узлом нагрузки 70
2.3 Разработка алгоритма управления электрическими сетями в зависимости от режимов работы распределенной энергосистемы 72
2.3.1 Основные варианты состояния узла нагрузки 72
2.3.2 Автоматизация узла нагрузки с помощью управляющего модуля 75
2.4 Моделирование, исследование и оптимизация гексагональной РЭС. 78
2.4.1 Моделирование гексагональной РЭС 78
2.4.2 Расчет токов короткого замыкания 83
2.4.3 Оптимизация структуры и деление гексагональной РЭС
2.5 Перспективы внедрения гексагональных РЭС 96
2.6 Выводы по главе 2 99
3 Разработка цифровых электрических трансформаторных подстанций 3 уровня СЭС ГУ 101
3.1 Актуальность разработки цифровой электрической подстанции (ЦЭПС) 10-20/0,4 кВ с регулируемыми трансформаторами (РТр) 101
3.2 Разработка научно-технических решений по созданию ЦЭПС 10-20/0,4 кВ с РТр 1 3.2.1 Концепция ЦЭПС 10-20/0,4 кВ с РТр 103
3.2.2 Технические решения ЦЭПС. Применение тиристорного регулятора напряжения и мощности 105
3.2.3 Система управления ЦЭПС ПО
3.3 Исследование режимов работы двухтрансформаторной ЦЭПС 114
3.3.1 Режимыработы ЦЭПС 114
3.3.2 Разработка имитационной модели ЦЭПС в составе системы электроснабжения ГУ 116
3.3.3 Исследование энергоэффективных режимов работы ЦЭПС 119
3.3.4 Исследование параллельной работы РТр и серийного трансформатора ТС...: 121
3.3.5 Разработка рекомендаций по применению ЦЭПС в системах электроснабжения ГУ 125
3.4 Реализация проекта создания опытного образца ЦЭПС 10/0,4 кВ с 127
номинальной мощностью РТр 400 кВА
3.5 Выводы по главе 3 131
4 Применение технологий малой распределенной энергетики (МРЭ) в системах электроснабжения ГУ 133
4.1 Исследование и анализ современных энергоустановок МРЭ на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) 133
4.1.1 Обзор энергоустановок МРЭ на ВИЭ 133
4.1.2 Комплексное использование разнохарактерных источников электроэнергии в системе электроснабжения 140
4.1.3 Экологические аспекты применения энергоустановок на ВИЭ 146
4.2 Научно-технические решения по созданию энергоэффективной системы электроснабжения ГУ на основе комплексного использования разнородных источников электроэнергии 150
4.2.1 Концепция Устройства интеграции разнородных источников электроэнергии (УИИЭ) 150
4.2.2 Разработка алгоритма работы УИИЭ 152
4.2.3 Разработка и исследования экспериментального образца УИИЭ 155
4.2.4 Энергоэффективная система электроснабжения ГУ с УИИЭ... 170
4.3 Применение энергоустановок МРЭ на органическом топливе в системах электроснабжения ГУ 171
4.3.1 Обзор энергоустановок МРЭ на органическом топливе 171
4.3.2 Разработка концепции функционирования мини-ТЭЦ в системе электроснабжения ГУ 175
4.3.3 Экологические аспекты применения мини-ТЭЦ 181 4.4 Выводы по главе 4 187
5 Вопросы выбора наилучшего сочетания энергоустановок на ВИЭ при проектировании энергоэффективной системы электроснабжения 190
5.1 Разработка автоматизированной базы данных по современным энергоустановкам на ВИЭ 190
5.1.1 Характеристика структуры и разделов базы данных 191
5.1.2 Программная оболочка базы данных 197
5.2 Исследование эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей (ЭРЭП) при комплексном использовании ВИЭ 200
5.2.1 Основные подходы 201
5.2.2 Разработка методики определения ЭРЭП 203
5.2.3 Исследование ЭРЭП 207
5.2.4 Методы снижения ЭРЭП 211
5.3 Разработка рекомендаций по применению ВИЭ в энергоэффективных системах электроснабжения ГУ 215
5.3.1 Выбор типа энергоустановок на ВИЭ 216
5.3.2 Использование информации о метеоданных региона 218
5.3.3 Выбор наилучшего сочетания энергоустановок на ВИЭ 220
5.3.4 Учет экологического воздействия ВИЭ на окружающую среду... 223
5.4 Выводы по главе 5 226
6 Развитие методов рационального использования электроэнергии ГУ 229
6.1 Разработка методологии расчета научно-технических норм расхода ЭЭ с учетом специфики ГУ. Основные подходы 229
6.2 Расчет норм годового расхода электрической энергии ГУ на основе характеристик режимов работы электропотребителей 233
6.2.1 Методика расчета норм расхода электроэнергии 233
6.2.2 Программно-методический комплекс расчета норм расхода ЭЭ 241
6.3 Расчет норм годового расхода ЭЭ с использованием математических моделей удельного электропотребления ГУ 245
6.3.1 Исходные данные для моделирования 245
6.3.2 Разработка регрессионных моделей удельного потребления ЭЭ
ГУ 245
6.3.3 Нейросетевой подход к нормированию электропотребления... 250
6.3.4 Алгоритм моделирования норм расхода ЭЭГУ 252
6.4 Разработка методологии расчета нормативов электропотребления на уровне района (города), региона (области, края, республики), округа и Федерации 253
6.5 Разработка обучающего программно-методического комплекса «Энергосбережение» 254
6.6 Выводы по главе 6 260
Заключение 262
Список использованных источников 264
Приложение А. Результаты исследования
- Оценка эффективности использования электроэнергии ГУ
- Интегрированная система управления узлом нагрузки
- Технические решения ЦЭПС. Применение тиристорного регулятора напряжения и мощности
- Научно-технические решения по созданию энергоэффективной системы электроснабжения ГУ на основе комплексного использования разнородных источников электроэнергии
Введение к работе
Актуальность. Повышение энергоэффективности и снижение энергоемкости экономики России «до уровня стран с аналогичными природно-климатическими условиями (Канада, страны Скандинавии)» в Концепции «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» отнесены к основным требованиям, выполнение которых необходимо для «обеспечения гарантированного удовлетворения внутреннего спроса на энергоресурсы». Согласно Концепции «Стратегии-2030», повышение энергоэффективности заключается в «максимально рациональном использовании энергетических ресурсов», в том числе электрической энергии (ЭЭ).
Важным объектом повышения энергоэффективности являются государственные учреждения (ГУ) – организации, финансируемые из федерального, регионального, муниципального или местного бюджета (образовательные, здравоохранения и др.). Ежегодно ГУ России потребляют более 100 млрд.кВтч в год ЭЭ – десятую долю от всей ЭЭ, вырабатываемой в стране. Значительные расходы ЭЭ обусловлены высокими ее потерями в электрических сетях и изношенностью эксплуатируемого электрооборудования. Действующие электротехнические комплексы ГУ спроектированы без учета современных тенденций управления электропотреблением. По оценкам специалистов, технический потенциал энергосбережения в бюджетной сфере составляет 38% от существующего уровня энергопотребления.
Решение проблемы требует разработки прорывных инновационных технологий, позволяющих кратно повысить энергоэффективность. Таковыми являются технологии интеллектуальных электрических сетей (ИЭС) и малой распределенной энергетики (МРЭ).
Научным основам развития энергетики с учетом требований рационального использования топливно-энергетических ресурсов государственными учреждениями посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Следует отметить работы И.А. Башмакова, Г.Я. Вагина, В.М. Зайченко, А.В. Клименко, Б.И. Кудрина, А.Б. Лоскутова, А.В. Бобрякова, С.Ф. Степанова, Белея В.Ф., П.П. Безруких, Л.Б. Директора и др. Большинство работ посвящены энергетическому менеджменту или энергосбережению в системах теплоснабжения. Мероприятия по рациональному электропотреблению ГУ сводятся в основном к разработке автоматизированных систем учета и мониторинга ЭЭ или разработке электрооборудования с улучшенными характеристиками.
В то же время вопросы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов путем интеллектуализации электрической сети и подключения источников МРЭ (в том числе развивающейся возобновляемой энергетики) еще недостаточно проработаны. Нет научно-обоснованных технических решений применения в системах электроснабжения ГУ технологий интеллектуальных сетей Smart Greed, обеспечивающих информационный обмен и автоматическое управление режимами электропотребления и качеством ЭЭ. Решения комплексного использования источников МРЭ, позволяющего снизить потери ЭЭ и разгрузить централизованные электрические сети, как правило, касаются автономного энергообеспечения. Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не решена проблема определения научно-технических норм расхода ЭЭ ГУ, учитывающих современные изменения в структуре и характере энергопотребления.
Анализ зарубежных работ показывает, что в развитых странах мира многие проблемы эффективного использования ЭЭ бюджетными учреждениями уже решены. Однако применяемые за рубежом методы и технологии не учитывают особенностей электроэнергетики и электрического хозяйства России (протяженность электрических сетей, значительный износ электротехнических комплексов и систем генерации, передачи и распределения ЭЭ и др.).
Необходимость скорейшего выведения российской электроэнергетики на качественно новый уровень делает актуальным разработку научных основ повышения энергоэффективности электротехнических комплексов на основе рационального электропотребления путем интеллектуализации распределительной электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную сеть, нормирования электропотребления на примере ГУ. ГУ должны стать полигоном для внедрения энергоэффективных технологий и ориентиром для применения этих технологий в промышленности и бизнесе.
Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в рамках ряда государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (в том числе ГК от 11.10.2011г. № 16.526.12.6016 «Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока»; ГК от 15.03.2013г. № 14.516.11.0006 «Разработка технических решений для создания энергоэффективной системы электроснабжения автономного потребителя на основе комбинированного использования возобновляемых источников энергии и устройств оптимального управления»).
Объект исследования – электротехнические комплексы для электроснабжения государственных (муниципальных) учреждений.
Предмет исследования – методы повышения эффективности систем электроснабжения ГУ.
Цель диссертации – повышение энергоэффективности электротехнических комплексов ГУ на основе элементов интеллектуализации электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть, нормирования электропотребления, обеспечивающих рациональное использование электрической энергии и высокое качество электроснабжения.
Достижение поставленной цели предусматривает решение ряда научных и практических взаимосвязанных задач:
-
Исследование особенностей электропотребления ГУ с целью оценки их электроэффективности и дальнейшей разработки методов рационального использования ЭЭ с учетом специфики электротехнических комплексов и систем.
-
Разработка научных основ создания, имитационное моделирование и исследование активно-адаптивных (интеллектуальных) распределительных электрических сетей с автоматизированными узлами нагрузки 20(10) кВ.
-
Разработка научно-технических решений цифровой трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 кВ с активно-адаптивной системой управления и ее внедрения в систему электроснабжения (СЭС) ГУ.
-
Разработка научно-обоснованных технологических решений интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексного применения в СЭС ГУ.
-
Разработка методологии выбора оптимального сочетания энергоустановок МРЭ на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ.
-
Нормирование годового расхода ЭЭ ГУ с использованием режимов работы электропотребителей и математических моделей удельного расхода ЭЭ.
При решении этих задач в диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.
-
Концепция построения активно-адаптивной (интеллектуальной) распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, позволяющих совмещать услугу по электроснабжению от генерирующей компании с информационными потоками в среде единого проводника основной услуги, имеющей топологию связанных шестиугольников (гексагональная распределительная электрическая сеть).
-
Научно-технические решения по созданию и внедрению в системы электроснабжения ГУ цифровой электрической трансформаторной подстанции с трансформатором, имеющим автоматический регулятор напряжения и мощности под нагрузкой и трехуровневую систему управления.
-
Научные основы и технические решения по интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексному применению (алгоритмы, имитационные модели и схемотехнические решения устройства интеграции разнородных источников энергии; концепция функционирования мини-ТЭЦ в СЭС ГУ в условиях ограниченной мощности).
-
Методология выбора оптимального сочетания энергоустановок МРЭ на ВИЭ при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ, включающая оценку эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей при комплексном использовании разнохарактерных ВИЭ.
-
Методики нормирования удельных расходов ЭЭ ГУ, позволяющие определить годовые нормы расхода ЭЭ как для действующих, так и проектируемых объектов.
Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач применялись методы структурного анализа, математического, имитационного и физического моделирования, теория портфельного анализа Марковица, аппарат теории вероятностей и математической статистики, методы статистической обработки эмпирических данных, регрессионного анализа.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием основных законов электротехники, апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических комплексов и результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Новый способ построения распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, защищенный патентами, позволяет повысить качество электроснабжения потребителей и оперативность информационного обеспечения о протекании технологических процессов и состоянии оборудования в узлах распределения ЭЭ, при непрерывном ведении учета поставок ЭЭ от снабжающей организации.
Научно-технические решения по созданию цифровой электрической подстанции использованы ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) – Уралэлектротяжмаш» и ООО «Теком» при изготовлении опытного образца регулируемого под нагрузкой трансформатора 10/0,4 кВ нового поколения мощностью 400 кВА и его трехуровневой системы управления. Опытный образец регулируемого трансформатора внедрен в систему электроснабжения Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. С учетом результатов испытаний опытного образца разработана конструкторско-технологическая документация для обеспечения промышленного выпуска типовых регулируемых трансформаторов нового поколения мощностью 250-400-630-1000 кВА.
Технология эффективного использования ВИЭ в СЭС ГУ внедрена на предприятии ЗАО «ЭлектроИнтел» и легла в основу разработки и создания экспериментального образца Устройства интеграции с емкостным накопителем, предназначенного для сопряжения разнородных источников ЭЭ, преобразования и передачи ЭЭ потребителю.
Рекомендации по проектированию энергоэффективных СЭС ГУ на основе ВИЭ, а также автоматизированная база данных по энергоустановкам на ВИЭ, защищенная свидетельством и позволяющая проводить сравнительный анализ технических и экономических параметров энергоустановок, могут быть использованы при проектировании и модернизации СЭС потребителей малой и средней мощности.
Разработанные методики расчета годовых норм расхода ЭЭ доведены до практического применения, и могут быть использованы как в образовательных учреждениях, так и ГУ РФ других типов.
Интерактивный обучающий программно-методический комплекс «Энергосбережение» активно используется в учебном процессе при проведении практических и лабораторных работ по дисциплинам «Общая энергетика» и «Экономия энергии» для студентов по специальности «Электроснабжение» факультета автоматики и электромеханики и Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
Научные и практические результаты исследования использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Системы электроснабжения», «Специальные вопросы электроснабжения», «Общая энергетика», «Экономия энергоресурсов»; в учебно-методической литературе по проблеме рационального энергоиспользования при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Электротехника и электроэнергетика» и специализациям «Системы электроснабжения», «Электрические системы и сети», «Релейная защита», а также на курсах по переподготовке инженерно-технического персонала по программе «Энергосбережение» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференциях и семинарах:
Российско-Германском семинаре «Возобновляемые источники энергии и переработка отходов» (Н.Новгород, 2004 г.); IV, VIII, X всеросс. НТК «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Н.Новгород, 2001, 2005, 2007 г.); всеросс. научно-практической конференции «Итоги реализации проектов в рамках приоритетного направления «Энергетика и энергосбережение» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» за 2008 год» (г. Москва, 2008 г.); семинаре МарГТУ «Об инвентаризации электропотребления зданиями и сооружениями, входящими в состав образовательных учреждений» (г. Йошкар-Ола, 2005г.); региональном семинаре (Приволжский Федеральный округ) «Лимитирование энергоресурсов для образовательных учреждений на 2005 г.»; всерос. научных конференциях НТИ-2006, НТИ-2007 «Наука. Технологии. Инновации.» (г. Новосибирск, 2006, 2007 гг.); XI - XVIII Нижегородских региональных конференциях «Сессия молодых ученых. Технические науки» (2006 – 2013 гг.); VIII-XIII Международных молодежных НТК «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2008 - 2013 гг.); 22, 25 - 31 НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Н.Новгород, НГТУ, 2003, 2006-2012 гг.); VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» ПРФН-2009 (г. Томск, 2009); международной НТК «Энергоэффективность — 2009» (г. Краков, 21-23 сентября 2009г); всерос. научно-практической конференции «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (г. Москва, МЭИ, 18.11.2009г.); XL, XLI, XLII Всерос. научно-практических конференциях (c международным участием) «Федоровские чтения» (г.Москва, МЭИ, 2010, 2011, 2012 гг.); 7, 8 всерос. научных молодежных школах с международным участием «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ, 2010г, 2012г.); международной НТК «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, СамГТУ, 2011г.); всеросс. НТК «Реализация НИОКР в области энергетики и энергосбережения» (Москва, МЭИ, 2011г.); всеросс. НТК «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии (Москва, МЭИ, 2012г.); форумах «Великие реки» (г. Н.Новгород, 2012г., 2013г.); международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы» (г. Ульяновск, УлГТУ, 2012г.); научном семинаре факультета автоматики и электромеханики НГТУ (г. Н.Новгород, 2009г.); XI Всерос. науч. конференции «Нейрокомпьютеры и их применение» (Москва, МГППУ, 2013г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 71 работах, 20 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад. Методологический подход к решению проблемы и предложенные методы повышения эффективности использования ЭЭ ГУ разработаны лично автором. Части исследований, которые проводились в сотрудничестве, отмечены в тексте диссертационной работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и семи приложений. Общий объем 350 стр., из них 296 стр. основного текста, включая 80 рисунков, 26 таблиц. Список использованных источников содержит 341 наименование.
Оценка эффективности использования электроэнергии ГУ
При решении этих задач в диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся па защиту следующие наиболее важные результаты.
Концепция построения активно-адаптивной (интеллектуальной) распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, позволяющих совмещать услугу по электроснабжению от генерирующей компании с информационными потоками в среде единого проводника основной услуги, имеющей топологию связанных шестиугольников (гексагональная распределительная электрическая сеть).
Научно-технические решения по созданию и внедрению в системы электроснабжения ГУ цифровой электрической трансформаторной подстанции с трансформатором, имеющим автоматический регулятор напряжения и мощности под нагрузкой и трехуровневую систему управления.
Научные основы и технические решения по интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексному применению (алгоритмы, имитационные модели и схемотехнические решения устройства интеграции разнородных источников энергии; концепция функционирования мини-ТЭЦ в СЭС ГУ в условиях ограниченной мощности).
Методология выбора наилучшего сочетания энергоустановок МРЭ на ВИЭ при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ, включающая оценку эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей при комплексном использовании разнохарактерных ВИЭ.
Методики нормирования удельных расходов ЭЭ ГУ, позволяющие определить годовые нормы расхода ЭЭ как для действующих, так и проектируемых объектов.
Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач применялись методы структурного анализа, математического, имитационного и физического моделирования, теория портфельного анализа Марковица, аппарат теории вероятностей и математической статистики, методы статистической обработки эмпирических данных, регрессионного анализа.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием основных законов электротехники, апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических комплексов и результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Новый способ построения распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, защищенный патентами, позволяет повысить качество электроснабжения потребителей и оперативность информационного обеспечения о протекании технологических процессов и состоянии оборудования в узлах распределения ЭЭ, при непрерывном ведении учета поставок ЭЭ от снабжающей организации.
Научно-технические решения по созданию цифровой электрической подстанции использованы ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) Уралэлектротяжмаш» и ООО «Теком» при изготовлении опытного образца регулируемого под нагрузкой трансформатора 10/0,4 кВ нового поколения мощностью 400 кВА и его трехуровневой системы управления. Опытный образец регулируемого трансформатора внедрен в систему электроснабжения Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. С учетом результатов испытаний опытного образца разработана конструкторско-технологическая документация для обеспечения промышленного выпуска типовых регулируемых трансформаторов нового поколения мощностью 250-400-630-1000 кВА. Технология эффективного использования ВИЭ в СЭС ГУ внедрена на предприятии ЗАО «ЭлектроИнтел» и легла в основу разработки и создания экспериментального образца Устройства интеграции с емкостным накопителем, предназначенного для сопряжения разнородных источников ЭЭ, преобразования и передачи ЭЭ потребителю.
Рекомендации по проектированию энергоэффективных СЭС ГУ на основе ВИЭ, а также автоматизированная база данных по энергоустановкам на ВИЭ, защищенная свидетельством и позволяющая проводить сравнительный анализ технических и экономических параметров энергоустановок, могут быть использованы при проектировании и модернизации СЭС потребителей малой и средней мощности.
Разработанные методики расчета годовых норм расхода ЭЭ доведены до практического применения, и могут быть использованы как в образовательных учреждениях, так и ГУ РФ других типов.
Интерактивный обучающий программно-методический комплекс «Энергосбережение» активно используется в учебном процессе при проведении практических и лабораторных работ по дисциплинам «Общая энергетика» и «Экономия энергии» для студентов по специальности «Электроснабжение» факультета автоматики и электромеханики и Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
Научные и практические результаты исследования использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Системы электроснабжения», «Специальные вопросы электроснабжения», «Общая энергетика», «Экономия энергоресурсов»; в учебно-методической литературе по проблеме рационального энергоиспользования при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Электротехника и электроэнергетика» и специализациям «Системы электроснабжения», «Электрические системы и сети», «Релейная защита», а также на курсах по переподготовке инженерно-технического персонала по программе «Энергосбережение» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Интегрированная система управления узлом нагрузки
Широкое использование ВИЭ относится к основным приоритетам "Энергетической стратегии России". По данным о потреблении энергии, доля ВИЭ в мировом энергобалансе составляет около 12%. Показатель использования ВИЭ в России составляет менее 1% [8].
Однако, в настоящее время МРЭ России развивается низкими темпами. Причины - в обеспеченности России запасами органического топлива; высокой удельной стоимости оборудования МРЭ на основе ВИЭ; отсутствии законодательных и экономических регуляторов, обеспечивающих свободную поставку и продажу ЭЭ в энергосистему малыми производителями ЭЭ; дефиците технологий МРЭ.
В целях поддержки отечественных организаций, создающих технологии и оборудование для малой энергетики создана Технологическая платформа «Малая распределенная энергетика», в рамках которой особую актуальность представляют вопросы использования ВИЭ в комплексных локальных энергетических системах.
Вопросы применения ВИЭ в системах электроснабжения потребителей отражены во многих научных работах [285]. Авторами решаются различные задачи, связанные с совершенствованием технологии выработки энергии ВИЭ, оценкой энергетических параметров ВИЭ, функционированием систем с использованием разнообразных комбинаций ВИЭ и различных типов аккумуляторов электрической и тепловой энергии.
В работах, направленных на повышение эффективности использования энергии отдельного вида ВИЭ (работы Баркова К.В., Караевой Ю.В., Лиллепярг Е.Р., Матвеева А.В. и др), исследуются вопросы экономической целесообразности энергоснабжения потребителей с помощью одного из видов ВИЭ. Значительная часть научных работ (Евдокимова СВ., Такаева Б.В., Стребкова Д.С. и др.), направленных на совершенствование технических параметров и характеристик ВИЭ, посвящена разработке технических средств, совершенствованию конструкций различных установок возобновляемой энергетики. Научные исследования, направленные на определение комплексного потенциала возобновляемых энергоресурсов в заданном регионе, освещены в работах Сидоренко Г.И. [228], Кирпичниковой И.М. [117] и др.
В работах, направленных на повышение эффективности использования ВИЭ в локальной СЭС (Амерханова Р.А. [2], Безруких П.П. [12], Бреусова В.П., Шерьязова С.К. [299] и др.), проводится анализ возможности рациональной доли замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, ветра, биогаза и других ВИЭ при электроснабжении локальных потребителей, а также исследование методов построения эффективной СЭС на основе ВИЭ.
В научных публикациях, посвященных использованию ВИЭ в СЭС потребителей, авторами решается широкий круг различных задач. Внимание в работах ученых уделяется повышению эффективности использования всех видов ВИЭ: энергии ветра, солнца, биомассы, твердых бытовых отходов, энергии малых рек. Наиболее актуальными являются работы, посвященные проектированию СЭС на основе комплексного использования ВИЭ, позволяющего обеспечить потребителей ЭЭ соответствующего количества и качества.
В задачи нормирования входят разработка, утверждение и соблюдение (внедрение) прогрессивных, технически и экономически обоснованных нормативов расхода ТЭР с целью обеспечения их экономии, рационального распределения и наиболее эффективного использования.
Расходы на коммунальные услуги всех бюджетных организаций России превышают 300 млрд. рублей в год [7, 9]. Объекты бюджетной сферы являются довольно энергоемкими. Они потребляют ежегодно около более 100 млрд. кВтч ЭЭ, что составляет около 10 % ЭЭ, вырабатываемой в РФ.
Исследования, проведенные автором, показывают, что удельные расходы ЭЭ различными ГУ, даже одного назначения, имеют разбросы в 3-10 раз, что говорит об отсутствии научно-обоснованных методов нормирования потребления ЭЭ этими учреждениями.
Разработка методологии и методов расчета нормативов потребления ЭЭ для ГУ с учетом специфики их функционального назначения - один из путей повышения электроэффективности ГУ.
Проведен анализ существующей нормативно-правовой базы по расчетам нормативов электропотребления ГУ, позволивший сделать следующие выводы:
1. В РФ нет ни одного утвержденного на правительственном уровне нормативного документа по нормированию расхода ЭЭ на объектах бюджетной сферы. Имеют место отдельные отраслевые или ведомственные методики и рекомендации. Нормативы потребления жилищно-коммунальных услуг (ЖКУ) определяются для жилых домов и населения, исходя из социальной нормы жилья по территории, объемов воды, газа, электрической и тепловой энергии, приходящихся на 1-го жителя, формируются по регионам, затем, - путем дифференциации этих нормативных показателей с учетом местных условий, определяются сводные нормативы потребления ЖКУ для конкретного населенного пункта.
2. В СНиП [232] и нормативных материалах [42,56,150,151,153,155-158,196,200,218,220] даются разные методы определения расходов ТЭР. Очевидно, этим можно объяснить большие разбросы в запрашиваемых ТЭР, в 3-5 раз, даже для аналогичных БУ данного региона.
3. Анализ нормативных документов стран Западной и Северной Европы [149, 304, 325] показывает, что во всех странах принят единый метод расчета потребления ТЭР на 1м полезной площади здания в год. Для всех типов зданий в этих странах даются удельные нормы в кВт ч/ м в год. В таблице 1.7 , для примера, даны удельные нормы для всех статей расхода ТЭР административных зданий Норвегии [149].
Технические решения ЦЭПС. Применение тиристорного регулятора напряжения и мощности
Из таблицы 4.1 следует, что ВИЭ в целом в 31 раз менее вредны для окружающей среды, чем традиционные источники энергии.
Ветровая энергетика является одним из наиболее безопасных для окружающей среды способов производства ЭЭ. Основными направлениями отрицательного воздействия на окружающую среду являются шум и электромагнитные помехи. Звук пронизывает все ткани организма, вызывая в них функциональные и структурные нарушения. Согласно санитарным нормам для человека существуют допустимые значения уровня шума. Для животных такие нормы отсутствуют. При строительстве ВЭУ необходимо исследовать частотный спектр шума и вибрации, логарифмические уровни звукового давления и виброскорости, создаваемые ВЭУ,
Проблема создания электромагнитных помех проявляется при расположении ветровых турбин недалеко от радиотелевизионных станций. Передачи в радиодиапазоне (в основном FM вещания частот) зависят от препятствий между передатчиком и приемником. Ветротурбины могут привести к искажению сигнала. Однако лопасти современных ветровых турбин производятся исключительно из синтетических материалов, оказывающих минимальное воздействие на передачу электромагнитного излучения.
Основным недостатком солнечной энергетики является необходимость в больших площадях для размещения солнечных батарей, что приводит к уменьшению образования органической массы в процессе фотосинтеза в зеленых растениях. Уменьшение площади растений приводит к изменению баланса кислорода и углекислого газа. Солнечные батареи, поглощая солнечную энергию, изменяют тепловой баланс почвы. Уменьшение потока энергии от солнца может привести к снижению температуры в верхних слоях почвы и изменению среды обитания живых организмов экосистемы данной местности.
Мини-ГЭС, строящиеся на горных реках, не причиняют большого экологического вреда. Мини-ГЭС не затопляют большие территории, однако представляют источники опасности, особенно в районах с высокой сейсмичностью. Наиболее оптимальными, с точки зрения экологии, являются такие конструкции мини-ГЭС, которые не требуют перегораживания реки.
При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. При использовании метанола отсутствуют выбросы оксидов азота и оксида углерода, а только в небольшом количестве выбросы углеводорода. Однако для полной оценки необходимо учитывать экологические проблемы при производстве водорода или метанола, а также при производстве топливных ячеек и катализатора [36].
Современные технологии промышленного производства водорода имеют недостатки. Практически во всех случаях водород получают посредством парового риформинга: каталитического разложения метана при помощи водяного пара. Этот метод требует большого количества энергии и приводит к образованию углекислого газа в большом количестве. Водород можно производить из газифицированного угля. Однако процесс газификации энергоемок и дает двуокись углерода в качестве побочного продукта. К экологическим недостаткам применения метанола относится ядовитость. К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями.
Биотопливо считается одним из наиболее экологически чистых ИЭ: сырьем являются отходы, следовательно, загрязнение среды уменьшается и сберегаются природные ресурсы. Общее количество органической массы в несколько раз превышает суммарную мировую добычу угля, нефти и газа. Анаэробное сбраживание биомассы позволяет получить биогаз, состоящий на 60-70% из метана, при этом процесс выхода газа непрерывен, а получаемый остаток — шлам — является хорошим удобрением.
Для оценки парникового эффекта объектов биоэнергетики при помощи программы «Энергетика» выполнен расчет эмиссии парниковых газов для двух вариантов: 1) животноводческий комплекс, в котором применяются различные системы сбора, хранения и использования навоза; 2) животноводческий комплекс, в котором установлены ЭУ для получения биогаза и мини-ТЭЦ для получения ЭЭ и тепла из биогаза. Сравнение двух вариантов показывает, что эмиссия парниковых газов, образующихся при сжигании биогаза на мини-ТЭЦ, значительно ниже, чем при обычной системе обращения с отходами животноводства (рисунок 4.14).
По оценке специалистов [191], производство биогаза позволит приблизительно в 8 раз снизить уровень вредных выбросов в атмосферу и сократить выбросы парниковых газов.
Анализ современных технологий генерации МРЭ на основе ВИЭ показал, что технический потенциал ветровой и солнечной энергетики РФ на порядок выше, чем у других ВИЭ. Однако широкое применение энергии ветра и солнца ограничивается невысокой плотностью энергетических потоков и непостоянством во времени, приводящее к неравномерности выработки ЭЭ, высокому эксплуатационному риску электроснабжения потребителей.
При разработке энергоэффективных СЭС ГУ перспективно применение гибридных источников питания на основе разнохарактерных ВИЭ, работающих параллельно с централизованной сетью. При этом возникает необходимость обеспечения сопряжения выходных параметров ВИЭ с параметрами ЕЭС и потребителя ЭЭ. Современные технологии в области силовой электроники, информационных технологий позволяют решить данную проблему.
Научно-технические решения по созданию энергоэффективной системы электроснабжения ГУ на основе комплексного использования разнородных источников электроэнергии
Рассматриваемые методы повышения энергоэффективности СЭС ГУ с ВИЭ предназначаются для системы питания на основе интеллектуального УИИЭ, обеспечивающего параллельную работу электрической сети общего назначения и разнотипных ЭУ МРЭ (несколько типов ВИЭ, накопители, дизельная электростанция) с соблюдением требований по качеству отпускаемой потребителям ЭЭ.
Задача применения ЭУ на ВИЭ в СЭС ГУ должна решаться комплексно, с учетом технических, климатических, экономических, экологических критериев энергоэффективности их использования [4, 131]. Рекомендации по применению ВИЭ в энергоэффективных СЭС ГУ, основанные на результатах проведенных ранее исследований, охватывают четыре направления: 1) выбор типа ЭУ на ВИЭ; 2) использование информации о метеоданных региона; 3) выбор наилучшего сочетания источников энергии в СЭС с ВИЭ; 4) учет экологического воздействия ЭУ на ВИЭ на окружающую среду
Выбор типа ЭУ основан на результатах анализа разработанной автоматизированной информационной БД по современным ЭУ на ВИЭ и включает рекомендации по выбору солнечных фотоэлектрических ЭУ, ветровых ЭУ, мини- и микроГЭС, ЭУ на топливных элементах.
Выбор СЭУ основан на сравнении номинальной мощности солнечных фотоэлементов (СФЭ), КПД, соотношения массы и мощности различных СЭУ.
Применение СФЭ с большей номинальной мощностью позволит снизить затраты на материалы и работу по объединению в единую электростанцию и присоединение к СЭС ГУ. У фотоэлектрических преобразователей с большей номинальной мощностью удельная стоимость 1 кВтч меньше.
Высокий КПД СЭУ обеспечивается при наличии в конструкции специального текстурированного стекла, минимизирующего потери солнечной энергии. Лучшие характеристики имеют СФЭ из поликристаллического и монокристаллического кремния, имеющие КПД соответственно до 20% и до 25 %. При выборе солнечных батарей следует учитывать среднюю величину массы на единицу мощности, что важно при размещении СЭУ на крышах слабо укрепленных конструкций. Тонкоплёночные технологии, известные как CIS (Copper Indium Diselenide) и Cadmiumulluride (CdTe), примерно в 100 раз тоньше, чем кристаллические батареи. Кроме того, тонкоплёночные солнечные батареи более эффективно могут принимать рассеянный и слабый солнечный свет, а в случае яркого солнца - терпимее к высоким рабочим температурам. Однако тонкоплёночным СЭУ требуется большая площадь поверхности. Эффективность использования ВЭУ зависит от значения среднегодовой скорости ветра, стартовой скорости установки, диаметра ветроколеса, высоты мачты, КПД, стоимости. Использование ВЭУ экономически выгодно при среднегодовых скоростях ветра более 5 м/с, либо при отсутствии или нерегулярной подаче сетевого электричества.
Особое внимание стоит уделять не только номинальной мощности ВЭУ, но и при какой скорости ветра эта мощность может быть получена. Наиболее экономически эффективную отдачу мощности при ветровых условиях местности можно получить при двукратной среднегодовой скорости ветра, называемой номинальной. При равной мощности ВЭУ следует выбирать установку с большим диаметром ветроколеса.
ВЭУ, имеющие высокую мачту, более выгодны, так как ветер на высоте 15-20 м даст прирост по выработке ЭЭ более, чем на 20% по сравнению с мачтой вдвое ниже, особенно в застроенной местности. Чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД [11, 12], хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. При сравнении цен разных производителей необходимо учитывать состав продаваемого оборудования и его функциональность. Определяющими критериями эффективного использования гидроустановок для МиГЭС являются: тип ЭУ, потенциал создаваемого напора, расход воды на единицу мощности, частота вращения ротора.
Тип ЭУ определяется характером реки. Для узких горных рек подойдут рукавные ГЭС. На относительно широких горных и равнинных реках - ГЭС с пропеллерными, радиально-осевьтми и прямоточными турбинами. Для достаточно полноводных рек - ГЭС с ковшевыми турбинами.
Для определения типа ГЭС важно знать потенциал создаваемого напора. При напоре от нескольких метров до десятков метров лучше использовать ГЭС с прямоточными турбинами. При напоре от нескольких метров до нескольких десятков метров - ГЭС с пропеллерными турбинами. При напоре от нескольких десятков метров до нескольких сотен - ГЭС с радиально-осевыми и ковшевыми турбинами. Приоритетными являются МиГЭС с меньшим необходимым напором для создания единичной мощности.
При одинаковом уровне напора приоритетными являются ЭУ с меньшим расходом воды на единицу мощности, что дает возможность их установки в менее полноводных реках. При быстроходных ЭУ (с частотой вращения ротора 1000 - 1500 об/мин) требуется меньший напор и расход воды на единицу мощности.
При выборе ЭУ на топливных элементах следует учитывать вид используемого топлива, КПД, расход топлива, расход воды. По применяемому топливу перспективнее и экономически целесообразнее использовать ЭУ на метаноле, биогазе и водороде, чем природном газе. Они имеют следующие преимущества: являются ВИЭ; КПД ЭУ выше; расход воды меньше. Однако в России производство и поставки метанола и биогаза не налажены. При выборе ЭУ на природном газе с водой необходимо в первую очередь обращать внимание на КПД, расход топлива в единицу времени на получение единицы мощности, расход воды.
