Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование особенностей электропотребления сельскохозяйственных предприятий России и перспектив применения возобновляемых источников энергии. Постановка цели и задач исследования 9
1.1 Классификация и показатели энергоэффективности сельскохозяйственных предприятий (СХП) 9
1.1.1 Классификация СХП 10
1.1.2 Показатели энергоэффективности 12
1.2 Особенности электропотребления СХП . 14
1.2.1 Анализ электропотребления 16
1.2.2 Анализ систем электроснабжения
1.2.2.1 Анализ качества электрической энергии 19
1.2.2.2 Анализ бесперебойности электроснабжения
1.3 Перспективы применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электроснабжения СХП 27
1.4 Постановка цели и задач исследования 34
1.5 Выводы по первой главе 37
2 Разработка автоматизированной информационной базы данных по возобновляемым источникам энергии и исследование на ее основе эксплуатационно-технологических параметров современных энергоустановок на ВИЭ 40
2.1 Разработка концепции, структуры информационной базы данных (ИБД) по энергоустановкам на ВИЭ и ее наполнение 40
2.2 Разработка программного комплекса для автоматизированной обработки информации, содержащейся в ИБД 44
2.3 Исследование и сравнительный анализ эксплуатационно технологических параметров энергоустановок на ВИЭ 48
2.3.1 Солнечные электрические установки 49
2.3.2 Ветроэнергетические установки
2.3.3 Биогазовые установки с ДВС 62
2.3.4 Установки на топливных элементах 67
2.4 Выводы по второй главе 71
3 Разработка методики выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности эксплуатационно-технологических параметров 74
3.1 Многокритериальный подход к выбору энергоустановок на ВИЭ 74
3.2 Анализ методов принятия решения 76
3.3 Методика выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности эксплуатационно-технологических параметров 85
3.4 Выводы по третьей главе 92
4 Исследование и разработка научно-технических решений по применению ВИЭ для эффективного электроснабжения СХП животноводства на примере Нижегородской области 93
4.1 Исследование потенциала возобновляемых энергоресурсов и суточных групповых графиков электрических нагрузок СХП 93
4.2 Выбор схем электроснабжения исследуемого СХП при параллельной работе возобновляемых источников энергии и централизованной электрической сети (ЦЭС) 98
4.3 Разработка алгоритма распределения потоков электроэнергии между системой генерации, элементами накопителя и нагрузкой при параллельном режиме работы ЭУ на ВИЭ и ЦЭС СХП 110
4.4 Технико-экономическое обоснование применения биогазовых мини-ТЭЦ в качестве основных, резервных и аварийных источников электроснабжения 116
4.5 Выводы по четвертой главе 123
Заключение 126
Список использованных источников
- Особенности электропотребления СХП
- Разработка программного комплекса для автоматизированной обработки информации, содержащейся в ИБД
- Анализ методов принятия решения
- Выбор схем электроснабжения исследуемого СХП при параллельной работе возобновляемых источников энергии и централизованной электрической сети (ЦЭС)
Введение к работе
Актуальность. Сельское хозяйство является одним из приоритетных направлений социально-экономического развития России. «Стратегия устойчивого развития сельских территорий Российской Федерации на период до 2030 года» предусматривает создание в сельской местности благоприятных инфраструктурных условий и высокотехнологичных рабочих мест, увеличение производительности труда за счет увеличения энергообеспечения в 3,3 раза. Достижение поставленной цели требует, в первую очередь, решения проблем электроснабжения сельскохозяйственных предприятий (СХП). Согласно Стратегии, повышение эффективности электроснабжения объектов сельского хозяйства заключается в «максимальном использовании возможности применения нетрадиционных источников энергии (солнечных батарей, ветроэнергетических установок, мини гидроэлектростанций, биогазовых установок и др.)».
Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволит повысить энергообеспечение и электровооруженность СХП без дополнительной нагрузки на централизованную электрическую сеть. Эффективность электроснабжения при этом будет зависеть от технико-экономических и экологических показателей используемых энергоустановок на ВИЭ, а также режимов их работы.
Значительный вклад в развитие теории и практики применения ВИЭ для электроснабжения потребителей внесли отечественные ученые Д.С. Стребков, П.П. Безруких, В.И. Виссарионов, О.С. Попель, Е.В. Соломин, Л.А. Саплин, Р.А. Амерханов, С.М. Воронин, С.К. Шерьязов, Б.В. Лукутин и др. Анализ публикаций по теме исследования показал, что большинство научных работ посвящены методикам расчета потенциала возобновляемых энергоресурсов, совершенствованию технологий и методик расчета параметров энергоустановок. Вместе с тем нет научно обоснованного подхода к выбору моделей энергоустановок на ВИЭ. Недостаточно проработаны вопросы параллельной работы ВИЭ и централизованной электрической сети при электроснабжении СХП. Решению этих вопросов и посвящена диссертация.
Объект исследования – системы электроснабжения сельскохозяйственных предприятий малой и средней мощности.
Предмет исследования – параметры и режимы работы энергоустановок на ВИЭ, применяемых для электроснабжения СХП.
Цель диссертации – разработка научно-технических решений по применению возобновляемых источников энергии, обеспечивающих повышение эффективности электроснабжения СХП на основе многокритериального подхода к выбору энергоустановок на ВИЭ и их интеграции в централизованную электрическую сеть.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные и практические задачи:
1) исследование особенностей электропотребления сельскохозяйственных предприятий России и перспектив применения ВИЭ;
-
разработка концепции, создание автоматизированной информационной базы данных по ВИЭ и проведение на ее основе исследований эксплуатационно-технологических параметров современных энергоустановок на ВИЭ;
-
разработка методики выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности эксплуатационно-технологических параметров, определяющих эффективность системы электроснабжения СХП;
-
решение вопросов параллельной работы ВИЭ и централизованной электрической сети, обеспечивающих эффективное электроснабжение СХП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы инструментального исследования (энергоаудита), принятия решений, структурного анализа, аппарат теории вероятности и математической статистики.
Достоверность выводов подтверждается корректным использованием основных законов электротехники, применением лицензионного программного обеспечения, результатами энергетических обследований СХП.
Научная новизна работы.
Разработаны концепция, оригинальная структура и программа управления автоматизированной информационной базы данных, включающей эксплуатационно-технологические характеристики около 1000 разнообразных современных моделей энергоустановок на ВИЭ.
Научно обоснована и разработана методика многокритериального выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности эксплуатационно-технологических параметров, отличающаяся введением вероятностных характеристик, позволяющих повысить качество оценочных работ.
Разработан алгоритм эффективного электроснабжения СХП на основе комбинированного применения ВИЭ и централизованной электрической сети, позволяющий максимально использовать потенциал возобновляемых энергоресурсов для выработки электроэнергии.
Новизна научно-технических решений подтверждена авторскими свидетельствами.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Автоматизированная информационная база данных, методика многокритериального выбора энергоустановок и научно-технические решения по комбинированному применению ВИЭ и централизованной электрической сети могут быть использованы при проектировании и модернизации систем электроснабжения СХП.
Результаты диссертационных исследований использованы энергоаудиторской компанией ООО «ЭнергоПрофит» (г. Нижний Новгород) при проведении энергетических обследований и разработке рекомендаций по энергосбережению и повышению эффективности систем электроснабжения ряда СХП Нижегородской области.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций для студентов электроэнергетических специальностей в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Положения, выносимые на защиту:
автоматизированная информационная база данных по энергоустановкам
на ВИЭ, позволяющая оптимизировать выбор ЭУ при проектировании
(реконструкции) систем электроснабжения с ВИЭ;
результаты исследования эксплуатационно-технологических параметров
современных автономных энергоустановок на ВИЭ, определяющих эффективность
электроснабжения СХП;
методика выбора энергоустановок на ВИЭ по совокупности
эксплуатационно-технологических параметров, направленных на повышение
эффективности электроснабжения СХП;
научно-технические решения по применению ВИЭ для эффективного
электроснабжения на примере СХП животноводства, позволяющие максимально
использовать потенциал возобновляемых энергоресурсов для выработки
электроэнергии.
Личный вклад автора. Постановка и формализация задач исследований, инструментальные исследования, математический и структурный анализ, разработка теоретических и методических положений, программ на ЭВМ, методик и научно-технических решений, анализ результатов, а также практические рекомендации.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы представлены на международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференциях: региональных 28,29,32,34 НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Н.Новгород, 2009,2010,2013,2015гг..); XV, XVI, IXV, XX «Нижегородская сессия молодых ученых» (г. Н.Новгород, 2010,2011, 2014,2015гг..); 7,11 всероссийских научных молодежных школах с международным участием «Возобновляемые источниками энергии» (МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва, 2010, 2014 гг..); IX Международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014» (г. Иваново,2014 г); Международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Фёдоровские чтения-2014» (г. Москва,2014 г); Международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Тимчуринские чтения» (г. Казань,2015г.); XV Международной молодежной НТК «Будущее технической науки» (г.Н.Новгород, 2015 г.); форуме «Великие реки» (г.Н.Новгород, 2015г.).
Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение о предоставлении субсидии от 05.06.2014№14.577.21.0073 «Разработка научно-технических решений по созданию гибридного источника электроэнергии на основе ТОТЭ и системы накопления для ответственных потребителей», уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0073), а также ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК от 25.08.2011 №16.516.11.6114 «Разработка технологии эффективного использования возобновляемых источников энергии в локальной системе электроснабжения потребителей», ГК от 15.03.2013 №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»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы, в том числе 5 в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Объем диссертации составляет 154 стр., из которых 150 стр. основного текста, включая 73 рисунка, 13 таблиц. Список использованных источников содержит 194 наименований.
Особенности электропотребления СХП
Устойчивое функционирование и развитие сельскохозяйственных предприятий России во многом определяется эффективностью их систем электроснабжения [171], поскольку электроэнергия является самым технологичным видом энергоносителя [180].
Большое значение имеет электроэнергия в животноводстве. При переводе данного направления на промышленную основу возникает необходимость создания микроклимата в помещениях, где животные содержатся безвыгульно: поддержание необходимого газо-температурного режима, искусственного освещения, облучение животных для снижения солнечного голодания и пр.[87]. Это сопровождается значительным расходом электроэнергии кондиционерами, электрокотельными, вентиляторами, электрокалориферами, увлажнителями и прочим оборудованием. Создание необходимых условий микроклимата особенно важно на ранней стадии жизни животных [87]. Для локального обогрева могут использоваться инфракрасные обогреватели или электронагреваемые коврики. Автоматизированные электронагревательные устройства по сравнению с нерегулируемым обогревом от котельной, позволяют увеличивать продуктивность животных, сокращать строительный объем производственных помещений, размещать на имеющихся площадях большее количество животных [180]. Электромеханизация подготовки кормов позволяет снизить затраты труда и материальных средств на единицу животноводческой продукции. Так использование кормоприготовительных машин на электроприводе позволяет снизить затраты труда на 75-90%, а на отдельных агрегатах - в 20-25 раз [18,19]. Электроустановки играют важную роль при доении, охлаждении и обработке молока, уборке и транспортировке навоза, подачи воды и других технологических процессах [87].
Большое значение электроэнергия имеет и в растениеводстве. Особенно она необходима при круглогодичном выращивании овощей и цветов в условиях защищенного грунта. Основными потребителями электроэнергии являются насосы и автоматизированные системы создания климата для теплиц и подсветки рассады. Необходимыми условиями для получения хорошего объема продукции является поддержание необходимого уровня температуры и света. Поддержание необходимой температуры воздуха в теплицах зимой осуществляется от котельной за счет автоматизированной системы подачи теплоносителя из системы отопления через регулируемые индивидуальные тепловые пункты (ИТП) для каждой теплицы. Необходимый объем теплоносителя подается за счет регулируемых насосов. Поддержание необходимого уровня освещенности в теплицах осуществляется за счет специализированной системы освещения. Выращивание овощей в условиях защищенного грунта является самым энергоемким производством в сельском хозяйстве. При современных технологиях теплоэнергетического оборудования и конструкциях теплиц расход электрической энергии на обогрев почвы и воздуха, регулирование температуры и влажности в среднем по стране составляет примерно 80 кВтч на 1 м2 в год [18].
Для орошения сельскохозяйственных угодий все большее распространение получают электроустановки. Проводится замена дизельных насосных станций на электрический привод [87]. Электрическая энергия используется и для послеуборочной обработки продукции. Сортировка, сушка и хранение зерна, сушка льна, приготовление сенной муки проводится с помощью электрических вентиляционных установок. Внедрение электропривода на очистительно-сушильных комплексах позволяет повысить производительность труда в 8-10 раз [19].
На основании выше сказанного можно сделать вывод, что электрификация технологических процессов на сельскохозяйственных предприятиях дает значительный экономический эффект, но делает процесс производства сельскохозяйственной продукции более чувствительным к эффективности систем электроснабжения.
Наиболее электроемкими и чувствительными к перерывам электроснабжения являются СХП животноводства. Поэтому исследования и анализ эффективности систем электроснабжения и использования электроэнергии проведены на СХП животноводства Нижегородской области.
Рисунок 1.3 – Уровень электровооруженности СХП Энергетические обследования СХП животноводства показали, что в основной массе уровень электровооруженности СХП в 2..3 раза ниже, чем аналогичный показатель промышленно развитых стран (рисунок 1.3).
Уровень большинства СХП составляет 4…6 тыс. кВт ч/чел. в год. Наиболее передовым (из обследованных) является животноводческий комплекс СПК «Ждановский» (25,64 тыс. кВтч/чел. в год), который характеризуется высоким уровнем механизации и автоматизации технологических процессов.
Увеличение электровооруженности ООО «СПК «Ждановский» в 3 раза позволило увеличить производительность труда в 4,3 раза и уменьшить электроемкость сельскохозяйственной продукции на 30%.
Основной причиной низкой электровооруженности СХП является дефицит необходимых мощностей в действующих сельских распределительных электрических сетях, невысокая эффективность используемого электрооборудования. Реформы в электроэнергетике России с начала 2000-х годов приравняли сельхозпроизводителей по оплате за потребленную электроэнергию к «прочим потребителям». В результате все правила использования электроэнергетики и ценовой политики стали полностью распространяться на СХП [121,154], что привело к опережающему росту цен на энергоносители.
Установлено, что доля общих затрат на топливно-энергетические ресурсы в стоимости произведенной продукции составляет 17…35%. Энергоемкость СХП России больше аналогичного показателя промышленно развитых стран в 2…4 раза [29,39,48,50,73,150,153,177].
Разработка программного комплекса для автоматизированной обработки информации, содержащейся в ИБД
При создании ИБД использованы каталоги выпускаемых энергоустановок на ВИЭ различных фирм-производителей. Достоинством ИБД является широкая номенклатура современных ЭУ (около 1000 моделей ВИЭ).
ИБД содержит информацию о моделях, параметрах и фирмах-производителях (или их представителей) энергоустановок на ВИЭ и включает следующие разделы: 1) солнечные электрические установки (СЭУ); 2) ветроэнергетические установки (ВЭУ); 3) биогазовые установки с ДВС (БГУ); 4) гидроэнергетические установки (ГЭУ); 5) установки на топливных элементах (УТЭ) [111,132,138].
Раздел «СЭУ» ИБД включает установки из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния. В мире 95% СЭУ производят из кремния [152]. Единичная мощность СЭУ от 1,5 до 300 Вт. Основными параметрами раздела являются: коэффициент полезного действия (%), мощность (Вт), рабочий ток и ток короткого замыкания (А), рабочее напряжение и напряжение холостого хода (В), масса (кг), габаритные показатели (мм), стоимость (руб.). Фрагмент раздела «СЭУ» ИБД приведен на рисунке 2.2. Раздел «СЭУ» ИБД содержит более 350 моделей.
Раздел «ВЭУ» ИБД включает установки с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Единичная мощность ВЭУ от 0,15 до 50 кВт. Основными параметрами раздела являются: коэффициент использования энергии ветра (о.е.), мощность (кВт), начальная, рабочая и максимальная скорость ветра (м/с), выходное напряжение (В), диаметр ветроколеса (м), высота башни (м), частота вращения ротора (об/мин), масса (кг), стоимость (руб.). Фрагмент раздела «ВЭУ» приведен на рисунке 2.3. Раздел «ВЭУ» ИБД содержит более 180 моделей.
Раздел «ГЭУ» ИБД включает установки с пропеллерной, ковшевой, радиально-осевой, прямоточной, «рукавной» турбиной. Единичная мощность ГЭУ от 0,5 до 5600 кВт. Основными параметрами раздела являются: мощность (кВт), напор (м), расход (м3/с), частота вращения ротора (мин-1), номинальное напряжение (В), номинальная частота (Гц), стоимость (руб.). Фрагмент раздела «ГЭУ» приведен на рисунке 2.4. Раздел «ГЭУ» содержит более 140 моделей. Модель Номинальная мощность. кВт Начальнаяскоростьветра,м с Номинальнаяскоростьветра.м/с МіКС.скоростьветра,м с Зарядное напряжение. Кол-волопастей модулей.пп Диаметрротора.- ветроколеса,м Высотаустановкибашни.м Частотавращенияротора приРном.о бУмин Вес. кг Цена, тыс. руб.
Раздел «БГУ» включает установки газопоршневые и газотурбинные. Единичная мощность БГУ от 15 до 3770 кВт. Основными параметрами раздела являются: электрическая и тепловая мощность (кВт), электрический, тепловой и общий коэффициент полезного действия (%), расход топлива (м3/ч), ресурс до ремонта (ч), коэффициент мощности (о.е.), частота вращения ротора (об/мин), масса (кг), габаритные показатели (мм), стоимость (руб.). Фрагмент раздела «БГУ» приведен на рисунке 2.5. Раздел «БГУ» содержит более 150 моделей. Рисунок 2.5 – Фрагмент раздела ИБД «БГУ»
Раздел «УТЭ» включает установки на основе твердо-оксидных топливных элементах и топливных элементах на расплавах карбонатов. Единичная мощность УТЭ от 0,25 до 2800 кВт. Основными параметрами, раздела являются электрическая и тепловая мощность (кВт), электрический и тепловой коэффициент полезного действия (%), расход топлива (м3/ч), выходное напряжение (В), масса (кг), габаритные показатели (мм), выбросы загрязняющих веществ (г/МВтч), уровень шума (дБ). Фрагмент раздела «УТЭ» приведен на рисунке 2.6. Раздел «УТЭ» содержит более 20 моделей.
Для работы с информационной БД создан программный комплекс (ПК) [110,124,125]. Автоматизированный ПК создан на базе ACSESS с использованием программируемого языка DELPHY. ПК обеспечивает автоматизированную сортировку информации по фирмам-производителям, типам ЭУ и их характеристикам, поиск, редактирование информации, построение гистограмм, сравнительный анализ ЭУ. Автоматизированный поиск и анализ характеристик ЭУ позволяют выбрать нужную информацию [165,176].
Разработана структура базовых таблиц, а так же взаимосвязи между этими таблицами. Реализованы средства заполнения и редактирования ключевых полей ИБД. За реализацию управления базой данных взята технология ADO. Использованы следующие компоненты: TADOConnection, TADOTable, TADOQuery, TADOStoredProc. На машине клиента располагаются связные компоненты TADOConnection и компоненты-наборы данных TADOTable, TADOQuery, TADOStoredProc, а также компоненты-наборы TADODataSet. Каждый из этих компонентов может связываться с провайдером данных либо с помощью связного компонента TADOConnection, либо минуя его и используя собственное свойство ConnectionString. Компонент TDataSource и визуальные компоненты TDBGrid, TDBMemo, TDBEdit и т.п. обеспечивают необходимый интерфейс с пользователем программы.
Главное диалоговое окно автоматизированной ИБД (рисунок 2.7) содержит вкладки разделов по видам ЭУ на ВИЭ (солнечные электрические установки, ветроэнергетические установки, биогазовые установки, гидроэнергетические установки, установки на топливных элементах).
При необходимости внесения изменений в тот или иной раздел БД в зависимости от цели изменений («добавить», «редактировать», «удалить») выбирается соответствующая панель. Рисунок 2.7 – Интерфейс главного диалогового окна автоматизированной ИБД. Раздел «Солнечные электрические установки»
При этом появляется диалоговое окно (рисунок 2.8), в котором имеются необходимые области для заполнения – основные характеристики энергоустановок (для конкретного вида ЭУ). При необходимости удаления информации из базы выбирается соответствующая строка БД определенного вида ЭУ. «Сортировка» на панели задач предназначена для упрощения работы с основными параметрами энергетических установок и их анализа. Например, при выборе окна «по фирмам», предприятия-изготовители располагаются в алфавитном порядке. При выборе окна «по мощности», энергоустановки сортируются по номинальной мощности установок от минимального значения в сторону увеличения (рисунок 2.9).
Анализ методов принятия решения
Системный подход многокритериальной оптимизации сельских централизованных электрических сетей развивается школой профессора Лещинской Т.Б. [59-61]. Многокритериальный подход к выбору оптимального варианта моделей автономных энергоустановок на ВИЭ ранее не рассматривался.
Каждый вид ЭУ на ВИЭ (солнечные, ветровые, биогазовые и др.) включает совокупность параметров, определяющих эффективность эксплуатации оборудования. Важной задачей на этапе проектирования электротехнических комплексов СХП является выбор наилучшего варианта ЭУ среди предлагаемых альтернатив различных фирм производителей. При этом необходимо учитывать максимальное количество факторов, влияющих на эффективность ЭУ, что требует серьезного аналитического подхода. Для принятия максимально объективного решения анализ должен быть комплексным. Каждая ЭУ обладает совокупностью взаимосвязанных параметров. Как правило, при выборе энергоустановок основным параметром является минимальная стоимость оборудования. Однако, величина данного параметра увеличивается, если к энергоустановкам предъявляются повышенные требования по эксплуатационно-технологической эффективности (КПД, ресурсу, массогабаритным показателям и др.) [36]. Таким образом, изменение одного параметра энергоустановки может повлечь за собой изменения других ее параметров. Поэтому выбор оптимального варианта энергоустановок на ВИЭ для электротехнических комплексов должен осуществляться по совокупности параметров и выявлении наилучших связей между ними. При этом аналитический подход закономерно перерастает в синтетический, системный, позволяющий создавать картину действительности более адекватно [141,167].
Выбор оптимального варианта ЭУ на ВИЭ предполагает количественную оценку качества сравниваемых ЭУ, что является задачей многокритериальной оптимизации [6,14,69]. Поэтому для решения задачи выбора ЭУ на ВИЭ необходим математический аппарат, удовлетворяющий предъявляемым требованиям [167].
Основная задача требований – выбор базовых методов принятия решений на основании анализа практикующих предложений для разработки методики выбора оптимального варианта энергоустановок на возобновляемых источниках энергии [37,141]. Требования к разрабатываемому методу [167]:
1. Объективность. Необходимо минимальное участие лица, принимающего решение (ЛПР), в методике для снижения количества субъективных решений. Необходимо минимальное количество затрачиваемого времени ЛПР при реализации метода. При удалении (добавлении) n критериев или альтернатив ЛПР должен участвовать только в этих изменениях.
2. Функциональность. Необходимо обеспечение возможности максимального числа операций независимо от количества единовременно сравниваемых альтернатив и критериев.
3. Когнитивность. Необходимо минимальное количество сложных операций для понимания используемого метода и единственное решение поставленной задачи для предложенных условий. 3.2 Анализ методов принятия решений
Методы главных критериев основаны на том, что позволяют выделить главный критерий, а остальные критерии рассматриваются как дополнительные и переводятся в категорию ограничений [32].
Применительно к выбору энергоустановок на ВИЭ это должен быть такой критерий, который по влиянию на эффективность функционирования энергоустановки оказывает большее влияние, чем все остальные критерии. Однако выбрать такой критерий достаточно трудно. Неправильный выбор критерия может привести к выбору неэффективного оборудования. Например, для ВЭУ главным критерием был выбран коэффициент использования энергии ветра Ср. При сравнении двух ВЭУ у первой энергоустановки Ср на 10% больше, чем у второй, а диаметр ветроколеса второй на 10% больше, чем у первой. Тогда вторая установка при худшем Ср будет вырабатывать больше электроэнергии, чем первая, т.к. вырабатываемая мощность определяется квадратом диаметра ветроколеса. Или выбор биогазовой энергоустановки с ДВС только по КПД может привести к выбору энергоустановки с малым ресурсом, что приведет к большим эксплуатационным затратам на ремонт. Подобная ситуации характерна для любого количества сравниваемых моделей энергоустановок по данным методам. Из выше сказанного возникает вопрос: «как будет определяться главный критерий?». Для определения главного и дополнительных критериев используются мнения экспертов. Однако в этом случае выбор энергоустановок будет полностью субъективным. А при одинаковых значениях выбранных главных критериев сравниваемых энергоустановок не будет единого решения.
Для получения единого решения используют последовательные уступки. Подход по своей сути предлагает некоторый механизм выбора ограничителей. Критерии нумеруются в порядке убывания важности. Процесс назначения уступок по каждому критерию продолжается, пока не дойдет до последнего k -ого шага. При его достижении назначается уступка для (k - 1) - ого критерия DzK-1 , составляется и решается задача оптимизации по последнему k - му критерию [32]. При этом возникают трудности с назначением и согласованием величин уступок. Уступки могут быть несоизмеримы между собой, поэтому надо предварительно организовать нормализацию критериев. Предполагается, что разница в важности критериев не слишком велика. Можно говорить о том, что величина уступок связана с ощущением этой разницы экспертом.
Основные преимущества выше изложенных методов при выборе энергоустановок на ВИЭ – простота применения и интерпретации результатов, отсутствие высоких требований к математической подготовке экспертов, программного обеспечения и вычислительных средств.
Основные недостатки методов - субъективность выбора «главных» критериев и выбора уступок, возможность потери эффекта совокупного влияния нескольких второстепенных критериев, возможность получения неэффективных решений.
Применение таких методов наталкивается на трудности, связанные с возможным наличием нескольких «главных» критериев, находящихся в противоречии друг с другом.
Методы на основе компенсации критериев. Методы компенсации критериев основаны на том, что при сравнении альтернатив определенные недостатки можно считать эквивалентным определенным достоинствам [13,55].
Применительно к выбору энергоустановок на ВИЭ реализация метода может осуществляться следующим образом. Например, для выбора ВЭУ сравниваются два критерия: коэффициент использования энергии ветра Ср и диаметр ветроколеса. Ср выбирается, как основной. Среди сравниваемых моделей энергоустановок найдено и зафиксировано наибольшая величина Ср. Затем в сравнении с первой моделью необходимо сравнивать такие энергоустановки, у которых «положительная» величина разницы между значениями диаметров ветроколес влияла бы также на эффективность энергоустановок, как «отрицательная» величина разницы между значениями коэффициентов использования энергии ветра. Трудность заключается в том, что лицо, проводящее сравнительный анализ моделей, должен знать степень влияния каждого критерия на эффективность энергоустановки, т.е. быть экспертом.
Наиболее широко используемым в настоящее время методом компенсации с помощью эксперта является метод ПАРной Компенсации (ПАРК), позволяющий структурировать проблему выбора и обеспечить требуемый анализ и оценку возможных альтернатив для решения поставленной задачи. Данный метод основан на предположении, что эксперт обладает знаниями как о стоящей перед ним проблеме, так и желаемых путях ее решения. Метод используется для целей [44,56]:
Выбор схем электроснабжения исследуемого СХП при параллельной работе возобновляемых источников энергии и централизованной электрической сети (ЦЭС)
Необходимо отметить, что накопители электроэнергии могут эксплуатироваться как в буферном, так и в циклическом режиме за счет комплексного использования аккумуляторных батарей и емкостных накопителей. В случае полной зарядки накопителей электроэнергии РЗ=0. Мощность, возможная для подзарядки накопителей электроэнергии от возобновляемых источников энергии в текущий момент времени (РЗНЭ) в начале каждого цикла равна нулю.
Далее происходит сравнение мощности, поступающей от энергоустановок на возобновляемых источников энергии, и мощности, необходимой для покрытия требуемой нагрузки потребителей [174].
Если РВИЭРН, то система управления подает сигнал об отсутствии необходимости подключения централизованной энергосистемы (К=0). В случае если энергосистема подключена, то переключатель изменяет свое положение на отключение. В случае если энергосистема отключена, то происходит проверка текущего состояния и переключатель не изменяет свое положение [174].
Затем проверяется величина разности между РВИЭ и РН. В случае, если данная величина больше мощности, необходимой для заряда накопителей электроэнергии, то избыток электроэнергии растрачивается на балластную нагрузку, тепло от которой может использоваться для нагрева воды [160], а накопители электроэнергии заряжаются на 100%. В случае, если величина меньше мощности, необходимой для заряда накопителей электроэнергии, то текущее значение заряда повышается на величину РЗНЭ.
Если РВИЭ РН, то проводится сравнение величины мощности в накопителях электроэнергии и величины недостатка мощности нагрузки потребителей. При РНЭРН-РВИЭ недостаток мощности нагрузки компенсируется объемом, который могут генерировать накопители электроэнергии [175].
При РНЭ РН-РВИЭ система управления подает сигнал о необходимости подключения централизованной энергосистемы (К=1) из-за нехватки общей мощности от энергоустановок на возобновляемых источниках энергии и накопителей электроэнергии. В случае если энергосистема отключена, то переключатель изменяет свое положение на подключение. В случае если энергосистема подключена, то происходит проверка текущего состояния и переключатель не изменяет свое положение [174].
Разработанный алгоритм работы системы управления для эффективного функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий на основе возобновляемых источников позволяет наиболее эффективно использовать электроэнергию, генерируемую энергоустановками на возобновляемых источниках энергии.
График потребления электроэнергии на сельскохозяйственных предприятиях формируется по требованиям технологического процесса, вмешательство в которые практически невозможно. Затраты электроэнергии на единицу продукции и стоимость этих затрат определяются эффективностью эксплуатации СЭС СХП. Интеграция системы Smard Grid с вовлечением возобновляемых источников и накопителей электроэнергии позволит осуществлять «управление потреблением электроэнергии» (УПЭ) [7,15,30], включающее в себя: планирование электропотребления, планирование и проведение ремонтов электрооборудования, управление потерями электроэнергии, энергосбережение.
Использование разработанных принципов, подходов, научно-технических решений по применению ВИЭ при проектировании электротехнических комплексов СХП, а также алгоритм распределения потоков электроэнергии позволят обеспечить эффективное, качественное и бесперебойное электроснабжение сельскохозяйственных предприятий России.
Технико-экономическое обоснование применения биогазовых мини-ТЭЦ в качестве основных, резервных и аварийных источников электроснабжения
Технико-экономическая целесообразность применения биогазовых мини-ТЭЦ определяется себестоимостью вырабатываемой электроэнергии.
Себестоимость электрической энергии Сэл определяется по выражению: где Иобщ - суммарные издержки биогазовой мини-ТЭЦ, руб.; Рэл -электрическая мощность биогазовой мини-ТЭЦ, кВт; Тгод - годовое время работы генератора электроэнергии (8400 часов/год). Суммарные издержки биогазовой мини-ТЭЦ [64]: Иобщ = И,п + Исо + Иобп + Иам (4-9) где Изп - заработная плата диспетчера, руб./год; Исо - социальные отчисления (Исо=0,4Изп), руб./год; Иобл - затраты на обслуживание мини-ТЭЦ (Иобл=0,05(Коб+Кген), руб./год; Иам - ежегодные амортизационные отчисления (Иам=рамК), руб./год; рам - норма амортизационных отчислений от капиталовложений, равный рам=1/Тсл (Тсл - экономический срок службы оборудования, Тсл=10 лет). Суммарные капиталовложения биогазовой мини-ТЭЦ [64]: КХ = Коб + Кзд + Кгеи + КпР + Ксм +Кпи (4-Ю) где Коб - затраты на оборудование и материалы, руб.; Кзд - затраты на здания и сооружения, руб.; Кген - затраты на станцию когенерации, руб.; Кпр - затраты на проектные работы, руб.; Ксм - затраты на строительно-монтажные работы, руб.; Кпн - затраты на пуско-наладочные работы, руб.
Затраты на оборудование и материалы, здания и сооружения, на станцию когенерации, проектные работы, строительно-монтажные работы, на пуско-наладочные работы приняты в соответствии с технико-коммерческими предложениями ООО «РосБиогаз». Результаты расчетов для мини-ТЭЦ с газопоршневыми установками представлены в таблице 4.4.
Для определения технико-экономической целесообразности применения биогазовых мини-ТЭЦ в качестве основных, резервных и аварийных источников электроснабжения СХП произведен оценочный расчет себестоимости вырабатываемой электроэнергии в зависимости от коэффициентов загрузки.