Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы во многих странах существенно возрос интерес к возобновляемым источникам энергии. Их широкое внедрение играет важную роль в достижении поставленной международным сообществом цели - снижении выбросов вредных веществ (оксидов азота и серы, твердых частиц золы, тепличных газов и др.) в атмосферу. Использование огромных природных ресурсов ветра может внести значительный вклад в решение этой глобальной проблемы. Главными преимуществами энергаи ветра по сравнению с энергаеи ископаемого топлива являются ее неисчерпаемость (возобновляемость), отсутствие необходимости в добыче, переработке и доставке, отсутствие потребности энергоисточников в воде для охлаждения, незначительное воздействие на окружающую среду, отсутствие вредных выбросов.
Наряду с указанными обстоятельствами целесообразность практического использования энергии ветра в значительной степени определяется также и экономической конкурентоспособностью современных ветроэнергетических установок (ВЭУ) с альтернативными энергоисточниками. В связи с этим важное значение имеет технико-экономический анализ систем энергоснабжения с применением ВЭУ, поиск общих закономерностей, позволяющих дать рекомендации о рациональных масштабах их внедрения и оптимальных параметрах установок.
Разработанные к настоящему времени методы экономического анализа характеристик ВЭУ весьма различны по степени сложности и требуемому объему исходной информации. Наиболее детальный анализ их работы выполняется на основе метода хронологического моделирования: с некоторым шагом по времени решаются уравнения баланса энергаи всех элементов системы (ВЭУ, нагрузка, дублирующие энергоисточники, аккумуляторы) и определяются интегральные показатели для последующего экономического анализа (выработка и полезное использование энергии). Однако применение этого.метода связано с большим объемом вычислений и, что еще более важно, требует использования весьма обширной информации, которая в большинстве случаев отсутствует (например, результаты ежечасных измерений скорости ветра на протяжении нескольких лет). В связи с этим разрабатываются методы вероятностного анализа, которые позволяют уменьшить трудоемкость подготовки исходных данных.
Анализ опубликованных работ по этому вопросу показывает, что известные методы обладают рядом недостатков: а) не решена задача определения экономической эффективности систем энергоснабжения с учетом перераспределения электрической и тепловой энергии между потребителями; б) в работах по расчету надежности систем электроснабжения с применением ВЭУ (ветродизельных систем) соответствующие показатели не согласованы с общей задачей оптимизации структуры системы и оценки ее экономической эффективности; в) недостаточно учтены особенности изолированных энергосистем (влияние потребителей на выбор оптимальных установок).
В связи с этим цель работы заключается в разработке методов технико-экономического анализа эффективности применения ВЭУ в системах электро- и теплоснабжения и оптимизации их технико-экономических показателей.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
обоснование целесообразности использования ВЭУ как для электроснабжения, так и для покрытия тепловой нагрузки;
разработка вероятностного метода расчета экономической эффективности системы энергоснабжения с применением ВЭУ;
разработка метода расчета надежности ветродизельных систем и оптимизации количества и единичной мощности дублирующих агрегатов;
исследование зависимостей показателей экономической эффективности ВЭУ от вероятностных характеристик ветра, нагрузки, стоимости вытесняемого органического топлива, емкости аккумулирующих устройств и требований к надежности электроснабжения;
- оптимизация технико-экономических показателей систем энергоснабжения с ВЭУ при учете указанных факторов. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена и обоснована математическая модель системы электро- и теплоснабжения с применением ВЭУ, учитывающая перераспределение энергии между потребителями и ее аккумулирование.
-
Разработан метод расчета интегрального экономического эффекта при использовании ветроэнергетических установок в системах энергоснабжения, сочетающий достоинства вероятностных методов и метода хронологического моделирования:
- получено аналитическое выражение для суммарного чистого
дохода, приведенного к начальному моменту времени;
- предложен новый способ решения системы уравнений баланса энергии для определения оптимальной емкости аккумулирующих устройств, основанный на существенном различии характерных времен рассматриваемых процессов изменения скорости ветра, мощности нагрузки, наряда аккумулятора и ценности доходов и затрат.
3. Разработан метод оценки экономического эффекта за счет
вытеснения ВЭУ части мощности дизельной электростанции (ДЭС) при
сохранении постоянного уровня надежности электроснабжения.
-
Исследован экономический эффект применения ВЭУ в зависимости от вероятностных характеристик скорости ветра, неравномерности и плотности графика. нагрузки, стоимости топлива для источников электрической и тепловой энергии, технико-экономических характеристик аккумулирующих устройств и показателей надежности ветродизельной системы.
-
На основе разработанных математических методов и систем измерения скорости ветра создан программно-аппаратный комплекс, который позволяет согласованно решать задачи сбора исходной информации и проведение технико-экономических расчетов.
На защиту выносятся перечисленные выше, новые научные результаты.
Практическая ценность диссертации заключается -в разработке эффективных и простых в реализации методов технико-экономического7'' анализа систем энергоснабжения с ВЭУ, а также в выработке рекомендаций по выбору их оптимальных параметров в зависимости от условий размещения и требований потребителей энергии. Кроме этого, разработаны и испытаны два варианта системы непрерывного измерения скорости ветра, которые могут быть использованы для получения исходной информации при технико-экономическом анализе проектов применения ВЭУ и уточнении кадастровых характеристик.
Результаты исследований использованы при выполнении госбюджетной темы "Исследование взаимодействия энергетических объектов с окружающей средой", Региональной целевой комплексной эколого-экономической программы Иркутской области "Байкал", а также работ в рамках программы Европейского Союза "TACIS" (по контракту между фирмой ATKINS и СЭИ СО РАН "Экологически чистое энергоснабжение региона озера Байкал"). Разработанные методики и программы расчетов используются в учебном процессе Иркутского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской и региональной конференциях "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (Иркутск, сентябрь 1994 г. и апрель 1996 г.), 10-й Байкальской школе-семинаре "Методы оптимизации и их приложения" (Иркутск, август 1995 г.), Всероссийской конференции с международным участием "Энергетика России в переходный период: проблемы и научные основы развития и управления" (Иркутск, сентябрь 1995 г.), 26-й конференции научной молодежи СЭИ СО РАН (Иркутск, апрель 1996 г.), региональной научно-практической конференции "ОЭС Сибири: современное состояние и перспективы развития" (Новосибирск, май 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14.печатных
работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В конце работы приведены сведения об использованной литературе (137 наименований). Общий объем работы 175 стр., включая 53 рисунка и 25 таблиц.
