Содержание к диссертации
Введение
I Анализ современного состояния ветровой, низкопотенциальной, водородной энергетики и энергетических комплексов на их основе 14
1.1 Сведения по ученым и специалистам занимающимися вопросами исследования и применения энергии ветра, использования энергии низкопотенциального тепла и водородной энергетики 14
1.2 Ветровая энергетика. Современное состояние 17
1.3 Современное применение теп л онасосных установок 23
1.4 Водородная энергетика. Современное состояние 29
1.5 Энергокомплексы на основе ВИЭ 34
1.6 Выводы по первой главе 42
II. Постановка задачи 45
2.1 Общая постановка задачи 45
2.2 Выводы по второй главе 52
III Методика расчета и моделирование параметров работы энергетического комплекса 53
3.1 Методика расчета 53
3.2 Программное обеспечение 59
3.3 Проведение уточняющих расчетов 76
1.4 Выводы по третьей главе 77
IV Пример расчета энергетического комплекса на базе автономного потребителя АРТП «Сеть-Наволок» 78
4.1 Информация об объекте 78
4.2 Результаты расчета для АРТП Сеть-Наволок 83
4.3 Выводы по четвертой главе 96
Заключение 97
Литература 100
Приложения 114
- Современное применение теп л онасосных установок
- Энергокомплексы на основе ВИЭ
- Программное обеспечение
- Результаты расчета для АРТП Сеть-Наволок
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие науки и техники, а главное самосознание человечества сегодня достигли уровня, когда получение энергии определятся не только экономической целесообразностью, а также рядом других факторов, наиболее значимыми из которых являются: экологический, социальный и факторы связанные с перспективой развития человечества и энергетической безопасностью. В таком контексте повышенный интерес к использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) очевиден, даже, несмотря на более высокую стоимость по сравнению с традиционной энергетикой на сегодняшний день. При этом они имеют существенные преимущества с точки зрения экологии и социальной значимости. Существенное развитие возобновляемые источники энергии получили в странах с ограниченной ресурсной базой, чья энергетическая безопасность напрямую зависит от поставок энергоносителей (в первую очередь нефти и газа) из других стран. К таким странам можно отнести США, Китай, Японию, страны Евросоюза, Австралию. Первым и достаточно серьезным сигналом для таких стран был энергетический кризис 1973 года, когда страны ОПЕК по политическим мотивам резко снизили объемы добычи нефти, что привело к повышению ее стоимости в четыре раза с 3-х до 12 долларов США за баррель. Зависимость от ввозимых энергоносителей делала заложниками страны Европы в период политического кризиса в Украине, являющейся транзитной страной российского газа. Поэтому неудивительно, что в области возобновляемой энергетики они занимают одно из лидирующих положений в мире. Вследствие определенных особенностей развития Евросоюза, основная часть установок работающих на основе возобновляемых источников энергии подключены к централизованной системе электроснабжения.
Что касается России, то, в отличие от Европы она имеет достаточный запас энергоносителей, чтобы обеспечить свои энергетические потребности. Однако данный фактор не означает, что развитие возобновляемой энергетики в нашей стране является второстепенной задачей. Как известно, только 1/3 территории России «подключена» к объединенной энергетической системе. Следовательно, более 20-25 млн. человек проживающих на остальной части вынуждены использовать автономные системы энергообеспечения. К этой категории потребителей можно отнести и тех, кто подключен на конце тупиковой электрической сети. Как правило, для энергообеспечения таких потребителей используются бензиновые или дизельные генераторы, которые, в условиях российской действительности не всегда являются надежным и экономически приемлемым источником электрической энергии. Например, стоимость электроэнергии полученной дизельной электрической станцией (ДЭС) на о. Соловки составляет 27 руб/кВт*ч. В некоторых регионах стоимость одного кВт*ч полученного от ДЭС может доходить до 100 рублей и более (мыс Сеть-Наволок, Кольский полуостров). Такая высокая стоимость на электрическую и на тепловую энергию связана с необходимостью доставки органического топлива на
значительное расстояние в труднодоступные районы. В таком контексте использование возобновляемой энергии в России имеет свои, весьма большие, перспективы. В связи с этим вышло распоряжением Правительства РФ от 8 января 2009 г. N 1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г»
Мировой опыт освоения ресурсов ВИЭ показывает, что использование только одного вида ВИЭ в системах энергоснабжения автономных потребителей не всегда позволяет обеспечить надежное и бесперебойное энергоснабжение из-за физических особенностей самих ВИЭ. Как правило, энергообеспечение автономного потребителя за счет ВИЭ стараются обеспечить путем комбинации разных видов первичной и вторичной энергии в так называемых энергокомплексах (ЭК). В их состав, обычно, входят как энергоустановки на базе ВИЭ, так и дизельные (бензиновые) энергоустановки (ДЭУ, БЭУ), а также разного вида системы аккумуляции энергии. Крайне усложняется сама система проектирования параметров и режимов ЭК на базе ВИЭ, что требует использование очень развитого информационного, математического и программного обеспечения для решения задачи финансово-экономического обоснования проектируемых ЭК в условиях России, где рыночные отношения находятся только на стадии своего становления и имеется очень много случайных и неопределенных, по своей сути, факторов, которые влияют на эффективность самих ЭК на базе ВИЭ. Весьма сложной, но весьма актуальной задачей становится проблема создания современного специального математического обеспечения по обоснованию проектов ЭК на базе ВИЭ работающих в системах энергоснабжения многочисленных автономных потребителей России.
Автономный энергетический комплекс должен обеспечить надежное электро- и теплоснабжение потребителя. В работе исследуется эффективность энергетического комплекса состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с применением системы аккумуляции водорода.
Цель диссертационной работы:
- разработка математического программного обеспечения и исследование параметров и режима работы энергетического комплекса (ЭК) состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельной энергоустановок, системы аккумуляции водорода на основе топливных элементов для автономного потребителя.
Основные задачи исследований.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Выполнить анализ на основе печатных источников и ресурсов интернета состояния ветровой энергетики, состояния водородной энергетики, теплонасосных
установок (ТНУ), существующих ЭК, состоящих из ветровых и дизельных (бензиновых) энергетических установок,
Разработать методику обоснования параметров и режима работы ЭК на основе ветровых, дизельных, теплонасосных энергоустановок с системой аккумуляции водорода на основе топливных элементов (ТЭ).
Для проведения исследовательских работ по разработанной методике создать программное обеспечение в среде Microsoft Excel с использованием методов динамического программирования в среде Visual Basic Application предназначенное для определения оптимальных параметров ЭК для энергоснабжения автономного потребителя.
С помощью разработанной методики и программы получить и проанализировать результаты технико-экономического обоснования с учетом различных сценариев изменения инфляции, цен на топливо, оборудования работающего на основе ВИЭ и нескольких вариантов стоимости органического топлива для автономного объекта - автоматизированного радиотехнического поста «Сеть-Наволок» (АРТП Сеть-Наволок).
Научная новизна работы.
Результаты расчетно-теоретических исследований, представляемые к защите, являются обобщением работы автора в области обоснования состава и режимов работы ЭК на основе ветровых, дизельных, теплонасосных энергетических установок с применением системы аккумуляции водорода на основе топливных элементов.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
созданы методика и программное обеспечения для исследования режимов работы и определения состава и параметров оборудования ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием системы аккумуляции на основе водорода с применением топливных элементов и электролизера.
проведен анализ влияния технических и экономических факторов на состав, параметры и режимы работы ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием системы аккумуляции на основе водорода с применением топливных элементов и электролизера для автономного потребителя.
проведены исследования зон экономической целесообразности использования ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием системы аккумуляции водорода с применением топливных элементов и электролизера для различных сценариев динамики экономических факторов.
Основные положения выносимые на защиту:
Методика обоснования параметров и режима работы ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием системы аккумуляции на основе водорода с применением топливных элементов и электролизера
Основные принципы работы программного обеспечения.
Результаты оценки технико-экономической эффективности энергокомплекса на примере автономного потребителя АРТП «Сеть-Наволок».
Достоверность полученных результатов и выводов в работе, обеспечивается:
Применением широко известных методик и подходов применяемых в научно-технических исследованиях ВИЭ;
Эксплуатационным опытом ветродизельного ЭК (ВДЭК) созданного для энергообеспечения автономного потребителя автоматизированного радиотехнического поста (АРТП) Сеть-Наволок в 2005 году.
Личный вклад автора заключается в разработке методики обоснования параметров и состава ЭК основанного на использовании ветровых, дизельных, теплонасосных установок с использованием аккумуляции водорода на основе топливных элементов. В создании на основе методики программного обеспечения позволяющего оптимизировать параметры и режим работы ЭК, в проведении исследований параметров, состава оборудования и режимов работы ЭК для автономного потребителя и в анализе полученных результатов.
Практическая значимость.
Нахождение оптимальных параметров ЭК, состоящего из множества элементов, представляет собой достаточно трудоемкую задачу.
Созданная методика и программное обеспечение позволяют автоматизировать процесс технико-экономического обоснования ЭК, который может состоять из ветровых, дизельных, теплонасосных установок с системой аккумуляции водорода на основе топливных элементов, а также определить экономически выгодные параметры ЭК для автономного потребителя с заданными координатами и технико-экономическими параметрами.
Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в МЭИ(ТУ), Семнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в МЭИ(ТУ), Международная школа-семинар молодых учены и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» в МЭИ(ТУ), Седьмая всероссийская научная школа «Возобновляемые источники
энергии» в МГУ, Первая всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи: «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» в МГСУ, II Международная Научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ.
По результатам данной работы были получены следующие награды и премии:
Почетная грамота «Победитель программы «Участник Молодежного Научно -Инновационного Конкурса» (УМНИК). Был заключен контракт сроком на 2 года на проведение НИР в области исследования энергетических комплексов на основе ВИЭ.
Почетная грамота «Победитель программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (УМНИК) (номинация «УМНИК-Сколковец»);
- Диплом победителя конкурса «Кадровый резерв молодых ученых и
специалистов Фонда «Сколково» от 15 марта 2011 г;
Диплом за лучший доклад на II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях»;
- Диплом Лауреата Всероссийского конкурса «Студены, аспиранты и молодые
ученые - малому наукоемкому бизнесу - «Ползуновские гранты»;
Диплом победителя первого тура конкурса «Инженерное искусство молодых» в номинации «Возобновляемые источники энергии».
Результаты диссертационной работы были использованы в ходе исследований и расчетов проводимых ООО Корпорация «Русский Сверхпроводник». Получен акт о внедрении.
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ в том числе одна статья в печатном издании рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 113 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 12 таблиц, и список используемой литературы из 134 наименований.
Современное применение теп л онасосных установок
Весьма значительны масштабы освоения других видов ВИЭ, направляемые не только на развитие электроэнергетических, но и топливно-энергетических систем. В частности, это касается одного из наиболее перспективных направлений развития науки и техники, связанного с решением проблем энергоресурсосбережения — теплонасосных установок (ТНУ) или тепловых насосов (ТН). [25,86]
По прогнозам Мирового энергетического Комитета (МИРЭК) к 2020 г. в развитых странах до 75 % тепла для отопления и горячего водоснабжения будет обеспечиваться ТНУ. Если в 1972 г. в мире работало около 100000 ТНУ, то сегодня - около 40 млн. Тепловая мощность ТНУ в мире даже по минимальным оценкам составляет около 250 ГВт при годовой выработке тепла в 1 млрд. Гкалл, что соответствует вытеснению органического топлива до 80 млн. тонн условного топлива (т.у.т.). [35, 20]
В системах теплоснабжения мира сегодня широко распространены парокомпрессорные ТНУ мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Имеют место также винтовые ТНУ тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные — более 9 МВт. В настоящее время в мире работают более 18 млн. ТНУ большей мощности. [38, 123]
Сегодня следует отметить быстрое развитие ТНУ во многих западных странах: США, Германия; Япония, Франция, Швеция; Финляндия;. Дания, Норвегия; Австрия; Великобритания, Канада, и другие. В США ежегодный ввод ТНУ составляет около 1 млн установок, в Японии - около; 3 млн. установок. Для стимулирования развития- ТНУ в ряде штатов- введены кредиты на льготные покупки определенных типов ТНУ. Годовой; объем продаж, выпускаемых заі пределами. России; ТНУ, составляет сегодня около-125 млрд. долларов или в 3 раза- больше." мирового объема1 продаж вооружений; [123].
За период с 2005 по 2006 годы объем продаж комнатных тепловых насосов в Германии вырос более чем в два раза,во Франции; он вырос на 50 %, в Австрии:— на 45%, вІІІвейцарииі— почтиша-30 %; в Швеции;— на 20 %. В Европе в Скандинавии интенсивно развиваются- централизованные системы теплоснабжения! на основе ТНУ, в,том числе и- крупных (МВт-ногокласса) ТНУ. Вщентральной Европе ( Германия) распространены. ТНУ с приводом от газового» двигателя, сновнымш типами І ТНУ В; Европе являются: «Вода-вода»;, «Вода-воздух»; В : качестве иллюстрации вг таблице 1.1. представлены данные по использованию только геотермальных ТНУ в некоторых странах мира в 2007г. ..:; Весьма динамично развивается, производство ТНУ. в мире; которым занимаются? многие, десятки фирм, ориентирующихся на огромный рынок потребления» их продукции. В качестве примера в таблице 1.2 приведены данные по количеству проданных и установленных геотермальных ТНУ в ряде стран Европы в 1992, 2003 и 2004тг (данные ЕНРА);[ 123], Для- стимулирования развития ТНУ за рубежом широко используются. разные виды материальной поддержки: Например; субсидии от государства. В Германии до 1995 г выделялись крупные, дотации-фирмам, использующим ТНУ: 300 марок на 1 кВт мощности ТНУ (в Баварии 400;марок): [75] Швейцарской национальной программой энергосбережения в период с 1995 по 1998 гг планировалось увеличить производство тепла от ТНУ в 3 раза (с 750 до 2250 ГВт-ч в год). Для реанимации этой программы государство выделяло, крупные инвестиции большим энергетическим компаниям и обеспечивало им значительные налоговые льготы. Первые ТНУ построены в стране еще в 30-е годы 20 века. Сегодня здесь работают десятки тысяч ТНУ небольшой мощности. Построены и крупные ТНУ для работы в системах централизованного теплоснабжения. Самая крупная из них работает в городе Лозанна с тепловой мощностью 7 МВт с электроприводом. Особо следует отметить Швецию как лидера в. использовании ТНУ в экономике страны, где общая установленная мощность ТНУ превысила 3800 МВт. Сегодня около 85% всего тепла в стране получают от ТНУ. Здесь сегодня работают и две самые мощные ТНУ в мире в 200 и 320 МВт. Они используют в качестве источника низкопотенциального тепла воды Балтийского моря температура которых составляет от 5 до 6 С в отопительный период. Наиболее мощная (320 МВт) Стокгольмская ТНУ, расположенная на баржах, причаленных к берегу, охлаждает зимой морскую воду до 2 С. Себестоимость теплоты от этой ТНУ, обеспечивающей 12 % всего отопления Стокгольма, на 20 % ниже себестоимости теплоты от котельных. Даже в Дании, где условия использования ТНУ одни из самых плохих в Европе (высокая цена на электроэнергию - 20 цент/кВт-ч из-за налогов, достигающих 50 %) уже к 1995 г работало 28000 ТНУ (20 000 - горячее водоснабжение, 8000 — отопление) В Германии сегодня в эксплуатации находятся сотни тысяч ТНУ. Они используются в водяных и воздушных системах отопления и для кондиционирования воздуха. Привод компрессоров, в основном, от электромоторов. Есть и сотни ТНУ большой мощности и с приводом от ДЭУ и ГТУ. Источники низкопотенциальной теплоты: воздух (наружный и вытяжной), грунт, вода и т.д. Большие ТНУ используются в системах централизованного теплоснабжения. Эксплуатируют и несколько десятков абсорбционных ТНУ единичной тепловой мощностью до 4 МВт.
В США сегодня работают миллионы ТНУ. Из них более 50% - в жилищно-коммунальном секторе. Наибольшее распространение в США имеют реверсивные ТНУ типа «воздух-воздух» с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. ТНУ выпускают в США более 50 фирм разной мощности. До 30 % строящихся коттеджей в стране сегодня оснащены ТНУ. В США действует эффективная система штрафов за выброс СОг при сжигании ограниченного топлива, и поощрении за использование ТНУ.
Энергокомплексы на основе ВИЭ
Мировой опыт освоения ресурсов ВИЭ показывает, что использование только одного вида ВИЭ в системах энергоснабжения автономных потребителей не всегда позволяет обеспечить надежное и бесперебойное энергоснабжение из-за физических особенностей самих ВИЭ. В связи с этим, как правило, энергоснабжение автономного потребителя за счет ВИЭ стараются обеспечить путем комбинации разных видов ВИЭ в так называемых ЭК. В их состав, обычно, входят как энергоустановки на базе ВИЭ, так и дизельные (бензиновые) энергоустановки (ДЭУ, БЭУ), а.также разного вида системы аккумуляции энергии.
На сегодняшний день наиболее изученными и надежными комплексами являются ветродизельные энергетические комплексы (ВДЭК). Подобные комплексы эксплуатируются во многих странах мира и являются надежным источником электрической энергии для тысяч автономных потребителей.
Исследования, проводились в национальной лаборатории RISO (Дания) с 1984 по 1990 годы). Исследованные ветродизельные установки (ВДУ) были разделены на 4 класса [105]: - Класс 1 (простейший) (рисунок 1.2 а). Исследовался стандартный ветровой агрегат (ВА) сетевого использования с асинхронным генератором (AF), который работает с постоянным включением на сборные шины (СІИ) потребителя. В комплект оборудования введена автоматически регулируемая нагрузка (РН) предотвращающая; перегрузку В А при высоких скоростях ветра за счет снижения частоты, вращения до заданного расчетного уровня. Стандартная дизель-генераторная станция работает постоянно обеспечивая реактивной энергией асинхронный, генератор (AF). Полная (100%) доля участия в графике нагрузки ВА считается допустимой. Экономия топлива будет небольшой, но система оказывается предельно простой и приемлемой в тех случаях, когда фактор надежности более важен, чем максимум экономии топлива. - ВДУ класса 2 (рисунок 1.2 б); В конструкцию ДЭС внесены, изменения: между дизельным двигателем (ДД) и синхронным генератором установлены соединительная муфта и небольшой инерционный аккумулятор. ВДУ класса 2 достаточно проста и требует минимума электронного оборудования. Экономия топлива в данном варианте существенно возрастает благодаря тому, что при благоприятных ветровых условиях дизельный двигатель не работает и не расходует топливо. - Схема ВДУ класса 3 (рисунок 1.3 а).отличается от предыдущего варианта введением состав ВДУ аккумулятора энергии, в качестве которого может служить аккумуляторная батарея, гидравлический аккумулятор и другие источники энергии. Экономия топлива при использовании ВДУ класса 3 в районах с благоприятными условиями достигает высокого уровня. Национальная лаборатория RISO указывает на то,1 что благодаря относительно простому устройству и возможности получения значительной экономии топлива ВДУ класса 3 имеет перспективы широкого применения. ВДУ класса 4 (рисунок 1.3 б) имеет в своем составе ВА стандартного типа с синхронным или асинхронным генератором, и стандартной конструкцией ДЭС соизмеримой с ВА мощности, без использования инерционного аккумулятора. ВА работает через выпрямитель на инвертор, выход которого соединен со сборными шинами потребителя. В случае недостатка энергии для обеспечения нужд потребителя недостающая часть поступает от АБ. В случае избытка энергии производится питание нагрузок потребителя и подзарядка АБ. При штилевой погоде и при слабом ветре работает ДЭС в режиме обеспечения нагрузок потребителей и подзаряда АБ. ВДУ класса 4; имеет возможности для; достижения? максимальною экономит топлива:. Системаї контроля/ ш управления работой? комплексам должна быть компьютерной;, чтобы обеспечить выполнение всех; необходимых операций! Эффективное использование ветродизёльного энергетического комплекса (ВДЭК) можно проиллюстрировать опьітомшстровафзр (Шотландия). Там, для поселка численностью = 70? жителей? была построена- электростанция с двумяі ДЭС, одна из; которых мощностью- 20; кВт; была! достаточна, для электроснабжения/ летом; а другая — 50 кВт — предназначена для электроснабжения зимой;. Ветровые условия острова весьма благоприятны: Средняя скорость ветра - 9;6 м/с. В июне 1982 г. там: была?установлена ВЭС мощностью 50 кВт. С тех пор производство энергии возросло в 3,7 раза. Блок схема ВДУ на ост. Фэрприведена на рисунке 1.4.
Программное обеспечение
Точность энергетических расчетов для ВЭУ обеспечивается точностью исходной информации. Для проведения расчетов необходимо иметь данные по скорости ветра с интервалом не более часа. 2. В современных условиях изменение цен на топливо не совпадает с инфляцией. Стоимость оборудования, работающего на ВИЭ, имеет тенденцию к снижению. Исходи из этого, для проведения экономического обоснования ЭК основанного на использовании ВЭУ, ДЭУ, ТНУ и системы аккумуляции водорода основанной на применении ТЭ необходимо учитывать не только инфляцию, но изменение цен на топливо и цен на оборудования работающего на основе ВИЭ. 3. Для проведения исследований по определению оптимальных параметров энергетического комплекса, основанного на использовании более чем одного источника энергии и системы ее аккумулирования, необходимо рассматривать несколько возможных сценариев динамики экономического развития. В данной главе было предложено 27 вариантов сценария экономического развития. 4. При проведении автоматизированных расчетов трудно учесть разнообразие характеристик современного энергетического оборудования. Поэтому, в разработанном программном обеспечении используются модели этих характеристик. 5. Т.к. методика и программное обеспечение базируются на ряде допущений, то полученный результат необходимо скорректировать с применением характеристик реального оборудования. В качестве объекта исследований был выбран автономный потребитель — радиолокационная станция (РЛС), работающая в автономном режиме (далее — объект) которая расположена на побережье в малонаселенном районе Мурманской области. РЛС относится к ряду закрытых объектов, допускающих только присутствие обслуживающего персонала. Технологическая аппаратура объекта для приема и обработки сигналов расположена на башне, где предусмотрены заградительные огни и наружное освещение. В отношении надежности электроснабжения объект имеет первую категорию, в связи с этим основное требование объекта — надежное и бесперебойное снабжение энергией. В связи с требованиями по надежности на объекте предусматривается несколько источников энергии.
У объекта отсутствует автомобильное и железнодорожное сообщение с близлежащими населенными пунктами, а также отсутствует оборудованный морской порт, следовательно, единственным способом доставки грузов может служить воздушный транспорт (вертолет).
Регион, в котором расположен объект, характеризуется, суровыми погодными условиями. Зима здесь длится практически девять месяцев — с первого сентября по первое июня. Диапазон колебаний температуры в регионе составляет от -40 С зимой до +30 С летом. Воздух постоянно влажный и соленый. Объект размещается на крутом скалистом берегу высотой 70-95 метров над уровнем моря и открыт практически всем ветрам в данной точке. Сам АРТП располагается в той зоне Кольского полуострова, которая характеризуется высокими среднегодовыми значениями скорости ветра (около 8-9 м/с). Таким образом, в указанном месте имеются весьма хорошие условия для использования ВЭУ.
АП «Сеть-Наволок» имеет следующие характеристики: напряжение силовой сети равно 380 В, остальной сети — 220 В. Мощность гарантированного электроснабжения составляет 7 кВт, общая максимальная мощность потребителя энергии в обычных условиях 19,78 кВт, а С учетом электропотребления на жизнеобеспечение людей — 25,78 кВт. Принципиальная схема электрической сети показана на рис. 4.3. Нагрузка имеет следующую структуру: - технологическая аппаратура — постоянная в течении года; - система климатического контроля — различается взависимости от сезона (зима или лето), постоянна в течение суток; - наружное освещение рассчитывается в.зависимости от времени года для места расположения объекта. Допущение: длительность зимнего сезона составляет 9 месяцев (сО 1.08 по 30.04) , соответственно длительность летнего сезона — 3 месяца. Для дополнительных расчетов энергопотребления наружного освещения задаются : - координаты потребителя - 68.5 с.ш., 38.0 в.д. - режим освещения: длительность освещения составляет 20% от продолжительности темного времени суток. Собственные нужды включают в себя отопление, помещения энергоблока и подогрев-рабочей жидкости ДЭУ. Эти. системы включаются поочередно на 1 час через, каждый час, что позволяет более равномерно распределить нагрузку во времени. Вентиляция помещения учитывается в нагрузке системы климат-контроля: Жилой дом предназначен для обслуживающего персонала объекта. Предусматривается использование электробытовых приборов (холодильник, стиральная машина, телевизор и т.д.), электрическое отопление и горячее водоснабжение. Суммарная мощность осветительной нагрузки составляет 3 кВт. График изменяется в зависимости от времени года.
Результаты расчета для АРТП Сеть-Наволок
В работе выполнен анализ современного состояния ветровой энергетики, использования теплонасосных установок, водородной энергетики, применения энергетических комплексов на основе ветровых и дизельных энергетических установок, рассмотрены существующие ветровдородные энергетические комплексы в Канаде и Австралии. экономических взаимоотношений каждая страна выбирает свой путь энергетического развития. Европейский союз пошел по пути создания Единой энергетической системы и, следовательно, основной вектор развития в области применения ВИЭ — это создание крупных энергетических установок и станций, которые подключаются к энергосистеме. Особенностью США и Канады является тот фактор, что в области энергетики конкурируют ряд энергетических компаний, которые имеют свои энергетические системы и сети. Надежность такой системы несколько ниже, чем при использовании единой энергетической сети. Поэтому, экономика этих стран базируется на стремлении потребителей энергии к независимости от энергетических компаний. Этот фактор способствует активному развитию рынка систем автономного энергоснабжения, особенно основанных на использовании ВИЭ.
В России имеется широко развитая объединенная энергетическая система, а также достаточный запас углеводородов. Однако часть потребителей энергии находятся в удаленных от централизованного энергоснабжения местах. Основным источником энергии для данных потребителей являются автономные ДЭУ и небольшие энергосистемы, построенные на основе ДЭС. Для части таких потребителей, как правило расположенных в условиях Крайнего Севера и на Дальнем Востоке, доставка топлива является трудоемким и дорогостоящим процессом, который можно осуществить лишь в определенный период времени года. Данные территории обладают хорошими ветровыми ресурсами, что свидетельствует о возможности применения ВЭУ. 4. В процессе выполнения диссертационной, работы была разработана методика обоснования параметров и состава ЭК на основе ветровых, дизельных, теплонасосных установок с системой аккумуляции водорода на основе топливных элементов. 5. На основе данной методики было создано программное обеспечение в среде Microsoft Excel с использованием, методов динамического программирования в среде Visual Basic Application предназначенное для определения оптимальных параметров ЭК для.энергоснабжения автономного потребителя. Данная программа позволяет проводить расчет за период времени до 20 лет и имеет следующие функциональные возможности: комплексов: 1) Автономное энергообеспечение за счет ДЭС; 2) ВЭС + ДЭС; 3) ДЭС + ТНУ; 4) ДЭС + ВЭС + ТНУ; 5)- ДЭС + ВЭС + система аккумуляции водорода на основе ТЭ; 6) ДЭС + ВЭС + ТНУ + система аккумуляции водорода на основе ТЭ; 5.2 Учет прогноза динамики инфляции, цен на топливо и на оборудование, работающее на основе ВИЭ; 5.3 Определяет времяремонта и замены основного оборудования 6. С помощью разработанных методики и программного- обеспечения были получены и проанализированы результаты технико-экономического обоснования с учетом различных сценариев изменения инфляции, цен на топливо, цен на оборудование, которое работает на основе ВИЭ, и несколько вариантов начальной стоимости органического топлива (30, 50, 100, 200, 300 руб/л) для автономного объекта — АРТП Сеть-Наволок. Проведенные исследования показали высокую эффективность использования ВЭУ и ТНУ для энергообеспечения объекта. 7. Эффективность применения ВЭУ также подтверждается эксплуатационным опытом. На исследуемом объекте расположены 2 ВЭУ мощностью 30 кВт каждая. 8. Использование системы аккумуляции водорода с ТЭ элементами также представляется потенциально возможным, правда при наличии соответствующих экономических условий: 1. Высокая начальная стоимость топлива (более 60 руб/л); 2. Благоприятный сценарий экономического развития, то есть нормальный или пессимистический сценарии изменения цен на топливо и оптимистичный и нормальный сценарии изменения стоимости оборудования работающего на основе ВИЭ. 9. Результаты проведенных исследований в области обоснования ветродизельного ЭК близки к результатам, полученным при ранее проведенных расчетах и совпадают с реальным эксплуатационным опытом.
