Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современные условия характеризуются возрастанием роли возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В мировой практике альтернативная энергетика и, в частности, солнечная энергетика развиваются очень быстро. Причем, тенденции развития солнечной энергетики показывают, что это самая быстрорастущая сфера возобновляемой энергетики. Причинами такого бурного развития являются: высокая технологичность производства солнечных фотоэлектрических модулей и солнечных коллекторов, малые эксплуатационные расходы, а также постоянно растущие тарифы на углеводородное сырьё, ухудшение экологической обстановки в мире и политические разногласия, стимулирующие страны мира к независимости в области энергетики. Во всём мире развитие ВИЭ занимает приоритетное место, которое поддерживается государствами на разных уровнях и разными способами. По итогам 2011 года высокого уровня использования ВИЭ для выработки электроэнергии достигли многие страны: Германия – 21%; Дания – 40%; Габон – 42%; Гватемала – 64%; Латвия – 51%; Новая Зеландия – 76%; Португалия – 47% .
Актуальность развития систем на основе ВИЭ и, в том числе, солнечной энергетики возрастает в связи с принятием 23.11.2009 года Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Это особенно актуально для энергодефицитных регионов, к коим в частности относится Астраханская область. Нехватка генерирующих мощностей и устаревшие основные фонды являются одними из главных энергетических проблем Астраханской области. Велика доля потерь энергии в электрических сетях. Низка энерговооруженность таких перспективных для Астраханской области видов экономической деятельности как сельское хозяйство, рыболовство, туристический бизнес. Часто возникают проблемы энергообеспечения потребителей: населения, образовательных и медицинских учреждений в удалённых поселениях муниципальных образований. Одним из направлений решения этих проблем может стать использование возобновляемых источников энергии и в первую очередь – солнечной энергетики, имеющей наиболее высокий для Астраханской области ресурсный потенциал.
В современных условиях прогнозирование потребления на основе нормативов становится невозможным. Поэтому актуализируется определение объёмов электроэнергии и мощности для региона и для каждого муниципального образования как конечного потребителя на основе проведения детального анализа месячных и годовых объёмов электропотребления по каждому населённому пункту. Повышение эффективности электроснабжения потребителей требует разработки методики, основанной на новых предлагаемых подходах проектирования систем электроснабжения с использованием рангового распределения систем муниципальных образований региона для теоретического определения вида ВИЭ и практической реализации использования фотоэлементов для пилотных и опытных проектов.
Модели и практика развития систем генерации на основе ВИЭ ограничиваются большей стоимостью единицы объёма и мощности электрической энергии, большей продолжительностью согласования технологического присоединения и длительностью процесса ввода в эксплуатацию электроустановок для потребителей региона, особенностями потребления электроэнергии во время суток из-за различия в сезонной составляющей, особенностях вида возобновляемого ресурса. Нами предлагается в масштабах региона с учётом особенностей потребления электроэнергии каждым муниципальным образованием последовательность введения в строй энергоустановок ВИЭ в различных населённых пунктах, решая расчётами вопрос о величине устанавливаемой мощности, необходимости подключения к энергосистеме для случая автономной работы и работы параллельно с энергосистемой. Существен вопрос о дифференцированном подходе к определению электропотребления отдельных населённых пунктов в зависимости от их роли в региональной структуре.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время известны лишь отдельные примеры разработки режимов электропотребления и внедрения солнечной энергетики в различных регионах России. Эти проекты реализуются, как правило, в частном порядке и не затрагивают проблему электроснабжения на основе ВИЭ для региона в целом. Нет достаточного опыта разработки, внедрения и апробации фотоэлектрических систем для объектов муниципальных образований. Поэтому актуальны исследования электрообеспечения всех муниципальных образований с детализацией по каждому населённому пункту вплоть до конечных потребителей электрической энергии и мощности для решения надёжного и эффективного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии для автономных режимов их работы и работы с присоединением к электрическим сетям с потреблением и выдачей электроэнергии в сеть. Наряду с методическим и программным обеспечением важны разрабатываемые и реализуемые практические решения по применению фотоэлементов с целью демонстрации индивидуальных решений по установке ВИЭ и электроснабжению отдельных электроприёмников.
Таким образом, предлагается разработка методики региональной программы строительства фотоэлектрических систем и практика их реализации, которые учитывают социальные и климатические особенности регионов и способствуют решению проблемы повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований на основе внедрения фотоэлектрических систем в целом для региона и каждого конечного потребителя.
Объект исследования: электроснабжение потребителей (фирм и населения) муниципальных образований региона с учетом социально-экономических и климатических условий.
Предмет исследования: месячные и годовые показатели электропотребления и численности населения муниципальных образований Астраханской области, климатические условия, теоретические и практические основы внедрения фотоэлектрических систем.
Цель исследования: разработать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем.
В соответствии с целью определены следующие задачи исследования:
1. Провести аналитический обзор состояния и тенденций развития солнечной энергетики в мире и Российской Федерации. Осуществить сбор и анализ статистической информации по электропотреблению муниципальных образований Астраханской области.
2. Адаптировать техноценологический подход к анализу электропотребления муниципальных образований региона с оценкой рангового параметрического распределения по общему и удельному электропотреблению.
3. Провести анализ климатических особенностей Астраханской области с целью оценки перспективности развития солнечной энергетики. Разработать этапы и списки очередности размещения фотоэлектрических систем в МО региона. Произвести расчет мощности фотоэлектрических систем для МО Астраханской области.
4. Обобщить результаты исследования и сформулировать методику повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем, пригодную для использования в других регионах России и за ее рубежами.
5. Разработать структуру и классификацию фотоэлектрических систем, в которой в качестве основного классификационного признака будет использован уровень связи этих систем с электрическими сетями.
6. Сформулировать требования к фотоэлектрическим системам по критерию качества электрической энергии.
7. Разработать и внедрить пилотные проекты фотоэлектрических систем для энергоснабжения объектов МО Астраханской области, а также обосновать их экономическую эффективность.
Научная новизна исследования
1. Впервые рассмотрен техноценоз муниципальных образований региона по параметру электропотребления, что позволяет перейти к системному повышению эффективности электроснабжения региона.
2. Построены ранговые параметрические распределения по величине общего и удельного электропотребления с учетом социально-экономической составляющей электроснабжения региона.
3. Предложена техноценологическая модель развития солнечной энергетики региона, в которой очередность строительства фотоэлектрических систем определяется относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала.
4. Разработана методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем, которая может быть использована для создания техноценологических моделей развития солнечной энергетики в других регионах страны и за ее пределами.
Теоретическая значимость исследования:
Внесен вклад в расширение сферы применения техноценологического подхода за счет использования рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению при учете не только технической, но и социально-экономической составляющей электроснабжения региона.
Практическая значимость исследования:
На основе разработанной техноценологической модели сформированы списки очередности строительства фотоэлектрических систем для муниципальных образований Астраханской области.
На основе предложенной методики произведен расчет энерговыработки, установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем для муниципальных образований региона.
Разработаны и внедрены пилотные проекты фотоэлектрических систем для автономного энергоснабжения ряда объектов муниципальных образований Астраханской области.
Методология и методы исследования:
Методология исследований, представленных в диссертационной работе, основывается на системном и техноценологическом подходах к исследованию сложных технических систем, теории принятия решений, методах экспертного оценивания. Использованы методы экспертных оценок, методы математической статистики, прогнозирование, программные пакеты MathCad, Excel. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей, алгоритмов и программ, используемых при расчетах на ЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
1. На основе статистики по электропотреблению установлено, что муниципальные образования региона (МО) могут быть описаны ранговым параметрическим распределением по общему и удельному электропотреблению. Адекватность такого подхода подтверждена проверкой на соответствие критериям H-распределения.
2. Модель развития солнечной энергетики региона включает следующие этапы: 1-й этап реализуется на основе списка очередности строительства фотоэлектрических систем, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким удельным электропотреблением и перечня муниципальных образований с аномально низким общим электропотреблением. Среди них первое место присваивается муниципальному образованию с наибольшей относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала. Второе место занимает муниципальное образование с наибольшей относительной величиной отклонения удельного электропотребления от границ доверительного интервала после первого.
2-й этап реализуется на основе списка очередности, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким удельным электропотреблением, не попавших в список 1-го этапа.
3-й этап реализуется на основе списка очередности, сформированного из перечня муниципальных образований с аномально низким общим электропотреблением, не попавших в список 1-го этапа. Очередность соответствует относительной величине отклонения общего электропотребления от границ доверительного интервала.
3. Методика повышения эффективности электроснабжения муниципальных образований региона на основе внедрения фотоэлектрических систем включает: сбор данных помесячного и годового электропотребления муниципальными образованиями за период порядка трех-пяти лет, формирование ранговых параметрических распределений муниципальных образований по общему и удельному электропотреблению, определение коэффициентов аппроксимации, доверительных интервалов, интервальное оценивание, формирование списков очередности строительства фотоэлектрических систем в соответствии с относительной величиной отклонения от границ доверительного интервала, расчет энерговыработки фотоэлектрических систем на основании отклонения удельного электропотребления от аппроксимирующей кривой рангового параметрического распределения по удельному электропотреблению, расчет установленной мощности и площади строящихся фотоэлектрических систем с учетом региональной среднемесячной энерговыработки солнечных модулей.
Достоверность, обоснованность и апробация результатов
Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлена обоснованным выбором методов исследования, адекватных поставленным задачам, репрезентативностью объемов выборки по электропотреблению и численности населения муниципальных образований Астраханской области, использованием метеорологических данных государственного учреждения “Астраханский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды”, применением современных программных математических пакетов MathCad, Excel.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Научная сессия МИФИ-2007; Всероссийская научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ- 2007»,18-20 апреля 2007 г., Астрахань; Всероссийская научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ – 2008» 15-18 апреля 2008г.; Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», Москва МЭИ, 2009; Каспийский инновационный форум, 8-10 февраля 2009г., г. Астрахань; Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений», Москва, 16-20 ноября 2009г.; Научно-практический семинар «Альтернативная энергетика и энергосбережение в регионах России», г. Астрахань, 14-16 апреля 2010 г.; Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс» 13-15 октября 2010 г., Астрахань; Всероссийская научно-техническая конференция "Энергетика: состояние, проблемы, перспективы" Оренбург, 2010г; Международная конференции с элементами научной школы для молодежи «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» Астрахань, 2010; V международная НПК «Энергосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство» 24-28 октября 2011г., Астрахань; Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы». – Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012.; X Международная ежегодная конференция. «Возобновляемая и малая энергетика 2013», Комитет ВИЭ РосСНИО. М.: 2013.
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс Астраханского государственного университета при подготовке студентов по направлению 140600.62 –электротехника, электромеханика и электротехнологии. Пилотные проекты фотоэлектрических систем внедрены на ряде объектов Астраханской области.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 3 статьи в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрирована база данных для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Весь материал работы изложен на 198 страницах, включает 52 рисунка, 51 таблицу и 2 приложения. Список использованной литературы состоит из 119 наименований.
