Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния электроэнергетики в Казахстане
1.1. Современное состояние топливно-энергетического комплекса 1П Казахстана
1.2. Современное состояние энергоснабжения децентрализованных потребителей в Казахстане
1.3. Анализ современного состояния использования возобновляемых источников энергии и основные проблемы развития возобнов- 19 ляемой энергетики в республике Казахстане
1.4. Использование возобновляемых источников энергии для надежного энергообеспечения децентрализованных потребителей Казахстана 26
1.5. Постановка задачи исследований 30
ГЛАВА 2. Оценка и распределение возобновляемых источников энергиии в казахстане, методики определения их энергопотенциала
2.1. Оценка энергетических ресурсов ВИЭ в Казахстане 32
2.1.1. Оценка солнечного энергетического потенциала Казахстана 33
2.1.2. Оценка ветроэнергетических энергоресурсов Казахстана 36
2.1.3. Оценка энергии водных ресурсов Казахстана и перспектива развития малой гидроэнергетики
2.1.4. Оценка биоэнергетических ресурсов и перспектива их использования
2.2. Методики определения потенциала ВИЭ 51
2.2.1. Определение солнечного энергетического потенциала 51
2.2.2. Определение ветроэнергетического потенциала 55
2.2.3. Определение гидроэнергетического потенциала малых во- со дотоков
2.3. Районирование территории республики Казахстан и выбор наиболее благоприятных районов для комплексного использования
ВИЭ 58
ГЛАВА 3. Анализ технологических схем микроэнергосистем на основе возобновляемых источников энергии: особенности и структура
3.1. Классификация микроэнергосистем на основе ВИЭ 65
3.2. Схемные варианты микроэнергосистем на основе ВИЭ 67
3.3. Основные структурно-функциональные схемы микроэнергосистем на основе ВИЭ
3.4. Определение параметров индивидуального электроснабжения автономного потребителя от микроэнергосистем на основе ВИЭ
3.4.1. Необходимость и определение параметров аккумулирующих систем, входящих в энергосистему
3.5. Основные этапы проектирования микроэнергосистемы на основе ВИЭ
ГЛАВА 4. Обоснование выбора микроэнергосистемы на основе возобновляемых источников энергии для электроснабжения автономного потребителя в условиях южного казахстана на примере жамбыл-ской области 96
4.1. Определение энергетического потенциала возобновляемых источников в Жамбылской области
4.1.1. Общие сведения о Жамбылской области 96
4.1.2. Гидроэнергетические ресурсы области 97
4.1.3. Определение солнечного энергетического потенциала области
4.1.4. Определение ветроэнергетического потенциала области 102
4.1.5. Оценка и перспектива использования биоэнергоресурсов в Жамбылской области
4.2. Объект электроснабжения и его основные характеристики 107
4.2.1. Общая характеристика объекта электроснабжения 107
4.2.2. График нагрузки потребителя 108
4.3. Определение параметров микроэнергосистемы на основе ВИЭ 111
4.3.1. Оптимизация установленной мощности энергоустановок микроэнергосистемы на основе ВИЭ
4.3.2. Определение мощности аккумулирующих систем 112
4.3.3. Определение средней выработки электроэнергии энергоустановками микроэнергосистемы и обеспечение графика нагрузки потребителя за счет их использования 113
4.3.4. Экономическая оценка выбранных параметров микроэнергосистемы на основе ВИЭ 120
4.4. Определение показателей экономической эффективности микроэнергосистемы на основе ВИЭ
Заключение 124
Список используемой литературы 127
- Современное состояние энергоснабжения децентрализованных потребителей в Казахстане
- Методики определения потенциала ВИЭ
- Схемные варианты микроэнергосистем на основе ВИЭ
- Объект электроснабжения и его основные характеристики
Введение к работе
В настоящее время в мире все больше и больше обсуждается проблема перехода к устойчивому развитию сообщества нации, развитых, развивающихся, слаборазвитых стран или регионов со своими географическими, национальными и историческими особенностями. Одним из общих определяющих параметров устойчивости развития является энергетика (энергоресурсы, потребление, выработка, установленная мощность и т.п.). Создание устойчивой системы энергообеспечения потребителей - необходимое условие обеспечение устойчивости экономического, политического и индустриального развития общества.
До сегодняшнего дня в мире более 90% всей потребляемой человеком энергии, приходится на долю органического топлива. Тем не менее, осознание того, что этот ресурс рано или поздно закончится, говорит о принятии определенных мер для существенных структурных изменений в ресурсной основе всего мирового энергетического сектора.
Сокращение запасов органического топлива усугубляется нерациональным и некомплексным использованием сырья, а также загрязнением окружающей среды. Эта тенденция, а также постоянный рост потребности в энергии выдвигают требования поиска альтернативных источников энергии и эффективного использования имеющихся ресурсов. По мнению многих специалистов в качестве последних могут служить возобновляемые источники энергии (ВИЭ).
О необходимости масштабного использования ВИЭ сегодня упоминается в серьезных государственных и международных программах, в специальной и популярной литературе, о них много говорится на различных форумах и конференциях. По инициативе ЮНЕСКО постоянно проводятся мероприятия, призывающие обратить внимание различных стран мира на необходимость и важность поддержки внедрения ВИЭ в практику, и это имеет за собой теоретические и практические основания. А в целом внедрение энергооборудова-
ния на основе ВИЭ имеет для каждой страны существенную целесообразность и актуальность.
Энергия возобновляемых источников поистине огромна и превышает объем годовой добычи всех видов углеводородного сырья. Важно отметить то, что их использование возможно практически во всех регионах мира, в том числе и в Казахстане.
Положительной стороной ВИЭ является то, что их использование не изменяет энергетический баланс планеты, что и послужило причиной бурного развития нетрадиционной энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. ВИЭ играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетика, экология и продовольствие.
Несмотря на то, что Казахстане имеются огромные запасы углеводородных энергоресурсов, здесь базируются огромные запасы и возобновляемых источников энергии. Однако для их участия в энергетическом балансе страны оставляет желать лучшего (около 2 - 3%).
В настоящее время одними из главных проблем для энергетики Казахстана считается острая нехватка электроэнергии в южном регионе республики. Причиной этому послужило: критически высокая степень износа основных производственных мощностей электростанций Казахстана (до 58,5%); высокие потери электроэнергии при ее транспортировке по межрегиональным и региональным электросетям (до 60% и более); острый дефицит инвестиционных ресурсов в отраслях энергетики Казахстана; сильно изношенное состояние почти половины электро- и тепловых сетей республики. Кроме того, южный регион Казахстана отличает ограниченное количество электростанций, а также ограниченное количество электростанций и подстанций в этом регионе. В связи с этим, одной из главных социальных задач энергетики Казахстан на сегодняшний день является надежное обеспечение электроэнергией потребителей южного Казахстана, особенно тех, которые расположены в районах де-
7 централизованного электроснабжения. Для таких потребителей использование
ВИЭ является наиболее перспективным направлением.
Альтернативная энергетика для Казахстана - это важная и разноплановая проблема. Доведение доли использования ВИЭ в целом по Казахстану до 20 -30% от общего энергобаланса, ну а в последствие увеличение этого показателя, смогло бы сыграть важную роль при полном исчерпании ископаемых ресурсов. А совместная межгосударственная деятельность специалистов в области нетрадиционных технологий, а также со специалистами России и зарубежья, повысила бы стимул к внедрению таких технологий в энергетику региона. При этом решилась бы проблема рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов и сокращения вредного воздействия энергетического сектора на окружающую среду. И главным для этого считается необходимость применения соответствующего государственного регулирования с целью создания условий для привлечения инвестиций в энергосбережение, развитие ВИЭ.
Актуальность темы диссертационной работы определяется тенденцией развития энергетики Казахстана, и необходимостью решения энергетических проблем, связанных с энергосистемой региона, и, прежде всего, проблем энергоснабжения труднодоступного от централизованной системы потребителя. При этом достичь высокого социального эффекта и минимального воздействия на окружающую среду.
Целью диссертационной работы является комплексное изучение и обоснование возможностей эффективного использования ВИЭ в микроэнергосистемах для энергообеспечения автономного потребителя южного Казахстана. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
проведение оценки ресурсов ВИЭ в Казахстане, с целью определения экономически-эффективного потенциала и расчета технико-экономической целесообразности использования ВИЭ в южном Казахстане;
проведение районирования южного Казахстана по потенциалу ВИЭ и выявление регионов благоприятных для комплексного их использования;
3) проведение анализа особенностей микроэнергосистем на основе ВИЭ и
технических схем с учетом специфики регионов;
выявление основных базовых принципов проектирования и технико-экономического обоснования строительства автономных систем энергоснабжения на основе ВИЭ;
разработка методики обоснования выбора микроэнергосистем на основе ВИЭ для децентрализованного потребителя южного Казахстана и выявления их эффективности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
оценены и определены теоретические и возможные к использованию энергоресурсы возобновляемых источников южного Казахстана;
проведено районирование южного Казахстана по регионам республики, благоприятных для комплексного применения ВИЭ;
сформулированы основные принципы и этапы проектирования микроэнергосистем на основе ВИЭ;
обоснована возможность комплексного использования ВИЭ для электроснабжения автономного потребителя в условиях юга Казахстана.
проведено технико-экономическое обоснование целесообразности использования микроэнергосистем на основе ВИЭ на территории юга республики.
Достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы и не противоречат известным методам и подходам, применяемых в научно-технических основах использования ВИЭ.
Практическая значимость работы Представленная работа, содержит основные принципы формирования и строительства микроэнергосистем на базе ВИЭ, определяющие направления стимулирования и развития использования ВИЭ для устойчивого энергоснабжения потребителей Казахстана.
Результаты исследования направлены на повышение конкурентоспособности и эффективности использования данных энергосистем на основе ВИЭ, что крайне важно для улучшения экологической и социальной обстановки, особенно в энергодефицитных регионах страны.
Личный вклад автора определяется разработкой новых подходов к использованию ВИЭ в микроэнергосистемах для электроснабжения автономных потребителей южного Казахстана, разработкой метода по обоснованию выбора энергообъекта на основе ВИЭ, а также созданию основных схемных решений при формировании структуры и проектировании микроэнергосистем на основе ВИЭ.
Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на различных семинарах, конференциях, симпозиумах: Международная научно-практическая конференция «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2003); Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2004); Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2004); Международная научно-практическая конференция «Использование нетрадиционных и возобновляемых видов энергии и способы ее хранения» (Москва, 2004).
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 8 работ и 2 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований. Общий объем работы составляет 134 страницы машинописного текста.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Бреусову В.П. и заведующему кафедрой «ВИЭГ» д.т.н., профессору В.В.Елистратову за постоянную помощь, внимание и доброжелательную поддержку в работе, а также коллективу кафедры за ценные замечания и советы при обсуждении диссертации.
Современное состояние энергоснабжения децентрализованных потребителей в Казахстане
Энергоснабжение и электрификация жилищного хозяйства является одной из важных задач, обеспечивающих благоприятные условия жизни населения. Между тем энергопотребление жилищного хозяйства с учетом социально-экономических аспектов электрификации быта на сегодняшний день мало изучено.
Среди социально-демографических факторов, влияющих на специфику энергопотребления семей, следует выделить: тип и количественный состав семьи, ее доход, возраст, образование, профессия и квалификация членов семей. К непосредственно влияющим относятся совокупность объективных и субъективных факторов макро, а также микросреды, среди которых основными являются [55]:- уровень развития района проживания;- особенности населенного места (народно-хозяйственный профиль, размер, природно-климатические характеристики);- тип жилого дома (односемейный, многосемейный и т.п.), подсобные и общественные помещения при нем, особенности прилегающих территорий;- особенности жилого помещения, в котором проживает семья (число комнат, размеры жилой и подсобной площади), состав жилых и подсобных помещений, микроклимат в квартире, количество и номенклатура установленных электроприборов.
Основу административно - территориального устройства Казахстана составляют 14 областей. Всего в Казахстане насчитывается 86 городов, 168 районов, 181 поселок и 7681 населенный пункт. Население республики в настоящее время по данным агентства республики Казахстан по статистике на 1 января 2005 г. составило 15074,2 тыс. человек, в том числе 6479,3 тыс. человек сельские жители. Средний размер семьи в целом по республике составил 4,0 человека, в том числе, сельского 4,6 человека [41]. Таким образом, в Казахстане насчитывается около 1410 тыс. семей. Средняя численность населения сельских населенных пунктов для основных экономических регионов Казахстана приведена в табл. 1.3.
В работе [55] был проведен анализ энергопотребления в Казахстане с учетом социально-территориальных различий в условиях и образе жизни населения республики, а также других факторов, влияющих на показатели электрификации быта. К южному региону Казахстана были отнесены: Алма-тинская. Жамбылская, Южно-Казахстанская и Кызылординская области). К северной части все остальные области республики.
Были выделены следующие характерные для Казахстана природно-климатические зоны:- южная зона, температура самой холодной пятидневки составляет -17С, продолжительность отопительного периода 137 суток при средней температуре +1,9С. Общая численность сельских семей, проживающих в этой зоне республики, составляет 283 тыс.- юго-восточная (предгорная). Расчетная температура самой холодной пятидневки составляет - 24С, продолжительность отопительного периода 179 суток при средней температуре - 1,0С. Численность семей этой группы 176 тыс.- юго-восточная (горная). Расчетная температура самой холодной пятидневки - 30С, продолжительность отопительного периода 231 сутки при средней температуре - 4,0С. Численность семей этой группы 50 тыс. - северная. Расчетная температура самой холодной пятидневки - 31 -35С, продолжительность отопительного периода 203 - 221 сутки при средней температуре - 7,3 - 8,7С. Общая численность сельских семей этой зоны составляет 896 тыс.
На рис. 1.3 приведены данные показателей электрификации населения Казахстана по годовому электропотреблению сельских семей с учетом распределения семей: по жилой площади квартир, по количественному составу, по социальному положению члена семьи ведущего домашнее хозяйство, по уровню образования членов семьи, по типу семьи, по возрасту, по удельному доходу, а также обеспеченности городских и сельских семей республики электробытовыми приборами.
Рис. 1.3. Распределение семей по объему годового электропотребления [55]Как видно из рис. 1.3 годовое электропотребление около 35% сельского населения юга республики составляет 700 кВт.ч, юго-восточной предгорной зоны 900 кВт.ч, юго-восточной горной около 20% населения 1500 кВт.ч, в северной зоне около 30% населения 1100 кВт.ч.
Установленная мощность бытовых электроприборов в среднем для одного сельского дома составляет 2,16 - 3,18 кВт.
Показатели годового расхода топливных энергоресурсов (уголь, сжиженный газ, дрова) на одну семью существенно различаются по природно-климатическим зонам. Общая структура энергоносителей в быту, отнесенная на одну сельскую семью, представлена в табл. 1.4.
Методики определения потенциала ВИЭ
На показатели солнечного излучения влияют такие параметры, как: географическая широта размещения района, время года (суток), облачность, высота над уровнем моря. В зависимости от этих параметров значение интенсивности излучения солнца в некоторых районах может превышать 1000 кВт/м . Поэтому при проектировании солнечных энергетических установок необходимо проведение расчета данных по приходу энергии солнечного из лучения на поверхность приемника солнечной энергии, в месте расположения последнего [20,61,67].
Для определения потенциала солнечного излучения имеется ряд методик различных авторов, мы рассмотрим методику расчета, предложенную профессором Грилихесом В. А. и Виссарионовым В.И., преподаваемую студентам кафедры «ВИЭГ» СПбГПУ [20.67].
Для определения месячного и годового потока суммарной солнечной радиации (СР) на приемник солнечного излучения, выбираются характерные точки области размещения солнечных энергоустановок, с координатами широты и долготы (фс.ш. "Фъд.)- Расчет производится для горизонтальной и наклонной плоскости солнечной энергоустановки в следующей последовательности: 1) определяются номера характерных средних суток первого и последнего дня каждого месяца года - щ, при этом первый день года имеет номер п = 1; 2) по найденным значениям щ определяются значения склонения 8{ для указанных суток по формуле Купера: где S0 = +23277 = 23,45 для северного полушария; 3) по следующей формуле определяется часовой угол солнца в точках по данным координатам, в рассматриваемый момент местного времени суток t\ где t ,ч - фактическое местное декретное время; tec, ч — декретный полдень данного часового пояса («летнее» и «зимнее» время), совпадающий со средней долготой данной зоны; \J/- фактическая долгота точки 4) определяем продолжительность солнечного дня в данные сутки в точке по формуле: максимальные значения продолжительности солнечного сияния за каждый месяц по формуле трапеций: где величины Тсс - продолжительность солнечного сияния первого дня, и Гсс продолжительность сияния последнего дня месяца; 6) далее определяется косинус угла падения лучей на различные поверх ности для каждого рассматриваемого дня, по формуле: для горизонтальной поверхности: для наклонной поверхности: угол наклонной поверхности (принимается разным для каждой отдельной рассматриваемой точки); 7) определяем соответствующие плотности падающего излучения при отсутствии атмосферы -на горизонтальную поверхность: - на наклонную поверхность: 8) рассчитываются аналитически зависимости Rh(t) в течение суток, что позволяет определить значение потока СР за данные сутки по формуле: 9) вычисляем месячные значения потока СР Э,на горизонтальную пло щадку по методу трапеций: где Str число дней в каждом месяце. Аналогично и для наклонной площадки; 10) из справочной информации берутся для каждой точки значения а и Ъ - соответственно эмпирические коэффициенты, характеризующие долю суммарной СР, пропущенной облаками при условии сплошной облачности и коэффициент характеризующий долю суммарной СР, задержанной облаками. Значения коэффициента а приведены в Приложение П. 1 - П.4 [67]. Величина 11) тоже из справочника берутся значения Т - фактических продолжи тельностей солнечного сияния за каждый месяц; 12) определяется месячный поток суммарной радиации на горизонталь ную и наклонную площадку Эу. по формуле Ангстрема: по этой же формуле считается и для наклонной площадки; 13) для известных значений 3y.,j = 1,...,12 валовой потенциал СР для горизонтальной и наклонной площадки - Э?вал можно рассчитать по формулам: На основании вышеприведенной последовательности с помощью компьютерных программ, в том числе ив Microsoft Exel, процесс определения солнечного энергопотенциала можно автоматизировать, что позволит снизить время, необходимое для проведения расчетов. По данной методике строятся зависимости валового потенциала солнечной энергии на горизонтальную и наклонную площадку в различные месяца года и проводится районирование области размещения энергоустановок, по значениям годовой суммарной выработки солнечной радиации.
Схемные варианты микроэнергосистем на основе ВИЭ
Схемные варианты микроэнергосистем на основе ВИЭ, в зависимости от состава основного энергооборудования могут иметь различные комбинации. Однако при любом сочетании они должны иметь оптимальный выбор энергетического оборудования, для удовлетворения нужд потребителя, в зависимости от его потребности. Схемные варианты систем энергоснабжения на основе ВИЭ представлены в работах [16,18,19,45,46,58,71,72,85,89].
В настоящее время ряд работ в области комплексного использования нескольких возобновляемых источников энергии показывает наибольшее число разработок по комбинированию солнечных и ветровых установок для энергоснабжения автономных потребителей. Это связанно с характером прихода солнечной и ветровой энергии. Большие значения ночных скоростей ветра по сравнению с дневными, а также зимних скоростей по сравнению с летними говорит, что такой характер прихода позволяет эффективно дополнять эти два источника и экономить на емкости аккумулятора [16]. На рис. 3.3 приведены схемы гелиоветровых энергоустановок [71].
Приведенные схемы по роду вырабатываемой электрической энергии разделяются на станции постоянного (рис. 3.3 I) и переменного (рис. 3.3 II) тока. Невозможность трансформации напряжения постоянного тока для передачи электрической энергии на достаточно большие расстояния, ограниченность объемов и сроков хранения энергии в электрохимических аккуму ляторах и другие факторы уменьшают область применения комплексных ге-лиоветроэнергетических агрегатов КГВЭА постоянного тока. Поэтому эти агрегаты целесообразно использовать для зарядки аккумуляторных батарей автономных объектов, электроснабжения водопойных пунктов, систем перекачки рабочих веществ, а также для удовлетворения коммунально-бытовых нужд солнечных домов, освещения животноводческих ферм, катодной защиты магистральных нефте-, газо-, водопроводов.
Для синхронизации генераторов, стабилизации частоты и напряжения в гелиоветроэнергетической системе можно использовать принципы традиционной энергетики и разработки в области системной ветроэнергетики.
Схемный вариант микроэнегосистемы (рис. 3.3 I, б), отличается тем, что ветроэнергетический и солнечный агрегат дополнены гидравлической станцией, выступающей в виде аккумулятора энергии. Преимущество данной схемы заключается в аккумулировании гидравлической энергии, за счет работы ветроагрегата и солнечной установки, и в период затишья ветра или отсутствия солнечного потенциала, ввод в действие гидроэлектростанции компенсирует данный дефицит энергии.
Преимуществами работы и ветровых агрегатов на общий генератор (см. рис. 3.3 II, б) являются использование одного стандартного щита управления вместо двух, исключение одного генератора. Отсутствие процесса синхронизации генераторов, простота запуска, эксплуатации и остановки агрегата. Работа на один генератор солнечного и ветрового агрегатов с комбинированным использованием энергии солнца и ветра в промежуточном теплообменнике (рис. 3.3 II, в) имеет те же выгоды, как в схеме с механической трансмиссией. Кроме того, в данном случае появляется возможность применения групповых безрегуляторных ветроагрегатов, то есть не налагаются ограничения на скорость вращения ветроколеса и качество электроэнергии, вырабатываемой ветроагрегатом, что способствует максимальному использованию энергии ветра. Электрический нагрев жидкости в теплообменнике можно осуществлять с помощью обычных электродных водонагревателей, трубча тых нагревательных элементов (см. рис. 3.3. II, в) или фрикционных водонагревателей специальных конструкций (см. рис. 3.3 II, г). Наиболее перспективна схема КГВЭА с электролизом воды в компактных электролизерах и хранением кислорода в отдельных резервуарах (см. рис. 3.3 И, д). Особый интерес представляет получение водорода из соленых вод.
Интересными являются схемы микроэнергосистем на основе солнечной, ветровой и гидроэлектростанции, с электрохимическими аккумуляторами и гидравлическим аккумулированием энергии, при производстве электрической энергии для целей энергоснабжения потребителей (рис. 3.4).
ГЭС Недостатком данной схемы является необходимость наличия инвертора, при преобразовании аккумулированной энергии из постоянного тока в переменный, который на сегодняшний день еще остается дорогим оборудованием.
Перспективными на сегодняшний день являются энергоустановки, работающие на основе отходов сельского хозяйства и животноводства, и обладают эффективностью при параллельной работе с ветроустановкой для выработки электрической энергии, гелиоустановкой - для выработки теплоты или их сочетания. Такие установки рекомендуются для крупных сельскохозяйственных предприятий животноводства и птицеводства, поскольку лишь для таких хозяйств подобные комбинированные системы экономически обоснованы [18]. Одна из таких рекомендуемых схем с использованием солнечной
В качестве преобразователя биогаза в производимый вид энергии может выступать Стирлинг - генератор, обладающий свойством прямого преобразования тепловой энергии (солнечной радиации или сжигания биогаза) в электрическую энергию за счет электрогенератора [23,56].
Приведенные схемные варианты энергосистем на основе ВИЭ для электроснабжения автономных потребителей отличаются от схем отдельных ге-лио-, ветро- и гидроэнергоагрегатов тем, что основаны на совместном использовании и энергии солнца, ветра и гидравлической энергии.
В целом комплексное использование ВИЭ в Казахстане имеет все предпосылки для проектирования микроэнергосистем, и поэтому работа их может обеспечить эффективность энергообеспечения тех потребителей кто в них, прежде всего, нуждается. Однако возникает необходимость оценки их экономической эффективности конкурентоспособности по сравнению с существующими энергоисточниками. Эта задача должна быть решена на основе многофакторного анализа и системного подхода с учетом: природно-климатических условий, наличия (отсутствия) и удорожания в перспективе местного топлива; запаса и стоимости замещаемого топлива; запаса и заме щаемого топлива; надежности, долговечности, требования к обслуживанию; совпадения графиков выработки и потребления энергии на местах; социального эффекта и обеспечения охраны окружающей среды и других факторов.
Объект электроснабжения и его основные характеристики
Проведенный анализ энергоснабжения децентрализованных сельских потребителей в разделе 1.2 показал, что на юге Казахстана имеются населенные пункты с низкой плотностью электрических сетей и динамикой развития электрификации быта, а также низким показателем насыщенности топливными ресурсами и сложностью их поставки, и населением 100 и менее человек с потребностью в электрической энергии до 100 кВт. С учетом того, что у таких потребителей имеется проблема с доставкой топливных ресурсов и низким показателем их насыщенности появляется необходимость замещения топливных ресурсов электрической энергией, по причине возрастающего дефицита этих ресурсов.
В качестве примера в дальнейшем будем рассматривать сельский населенный пункт, расположенный в районе децентрализованного электроснабжения с потребной мощностью 100 кВт. За исследуемый район размещения потребителя возьмем Кордайский район, отличающий высокой плотностью ветроэнергопотенциала, наличием гидроэнергоресурсов и высокой плотностью солнечной радиации.
Как уже указывалось выше, из-за того, что график поступления энергии от ВИЭ имеет непостоянный характер, для выбора варианта электроснабжения необходимо знать график потребления электроэнергии потребителем и данные о максимальной нагрузке на вводе к потребителю в зависимости от расположения от централизованного энергоснабжения и уклада жизни.
Так как потребление является случайной величиной, то данная мощность будет иметь изменчивый характер в течение суток. И поэтому при проектировании электроснабжения необходимо иметь информацию о графиках электропотребления или изменения потребляемой мощности.
На сегодняшний день имеется ряд методик для получения графиков нагрузки потребителя. Одни методы основываются на проведении соответствующих измерений, накапливая статистические данные, другие методы основаны на методе экспертной оценки (опрос респондентов). Однако и первые и вторые методы имеют свои плюсы и минусы и соответствующие погрешности [69].
Первые методы являются весьма трудоемкими, требующие большого числа наблюдаемых объектов и длительного времени наблюдений. Так, согласно этим методам в работе [24], для получения графика нагрузки с надежностью 0,9 при доверительном интервале 30% было подвергнуто 622 сельских дома, при чем все они должны были однотипными, а наблюдения должны проводиться в течение года. Вторые методы, основанные на опросе, позволяют сократить время получения необходимой информации, но для получения достоверных данных необходимо значительное количество объектов (экспертов), что также затруднительно.
В работе [52], был приведена методика для получения достоверных данных о графиках электропотребления от небольшого числа экспертов. Данная, методика основывалась на приведении одной случайной величины к другой. Последовательность метода была следующей:
Пусть приводимой является случайная величина Y, следовательно необходимо так изменить уьУ2- -Ут-, чтобы Y = X , sy sx Y ,Sy - параметры распределения приведенной случайной величины Yyi y2.„ym.
Установлено [52], что /-тые значения до и после приведения связаны между собой соотношением:
Чтобы случайную величину Y привести к случайной величине X, имеющей такой же закон распределения, на другие параметры распределения, необходимо /-тые значения случайной величины У изменить по формуле (4.1), вычислив коэффициенты приведения по формулам (4.2) и (4.3).
Согласно данному методу был рассчитан график нагрузки потребителя на примере сельской усадьбы в Псковской области, при этом электропотребление включало обогрев жилища. На основе данного примера предполагаем, что рассматриваемый нами потребитель имеет аналогичную высокую насыщенность электрооборудованием и такой же характер электропотребления. Также при получении годового графика нагрузки потребителя, учитывался коэффициент сезонности кс роста нагрузки, имеющие следующие величины: зима - I; весна-0,8; лето- 0,7; осень- 0,9.
В табл. 4.6. приводятся данные по суточному изменению потребляемых мощностей сельским потребителем. Годовой график нагрузки потребителя, используемый в дальнейших исследованиях строился, на основании полученных среднесуточных составляющих для каждого сезона года (рис. 4.10, 4.11).
Определение оптимальных параметров энергоустановок микроэнергосистемы проводим с использованием линейного программирования с целевыми условиями, представленными в 3-ем разделе. Использование линейного программирования позволяет ограничиться определением удельной стоимости для источника определенного вида.
Оптимальные установленные мощности энергоустановок микроэнергосистемы на основе ВИЭ без учета мощности аккумуляторной системы будут определяться согласно целевой функции имеющей следующий вид:СВЭУ (NB3y ) + ССЭУ (NC3V ) + сгэс (Кгэс ) - min С4-4)В работах [64,65], приводятся данные по удельным стоимостям различных энергоустановок на основе ВИЭ, с учетом удельных мощностей источника и числа часов использования максимума в течение года.
Удельная стоимость капитальных затрат С0І для ВИЭ согласно [65] будет иметь следующие величины: ВЭУ - 0,888; СЭУ - 3,48; ГЭС - 0,685 у.е./Вт. Среднее значение удельной стоимости капитальных вложений на энергоустановки будет принимать равными 1,68 у.е./Вт. Учитывая максимальную среднесуточную нагрузку потребителя 100 кВт, целевую функцию для рассматриваемых вариантов (4.4) можно записать в следующем виде:0,888(J\AS3y) + 3,48(ЛГСЭУ) + 0,685(Л С) 168тыс. у.е.
Согласно принципам работы микроэнергосистем на основе ВИЭ, рассмотренных в третьей главе, а также исходя из формулировки задач линейного программирования, запишем систему ограничений для рассматриваемых вариантов.
Вариант 1. Предполагая, что совместное действие ветровой и гидроэнергоустановки обеспечивает 80% выдаваемой мощности, солнечная и гид 112 роэнергоустановка 70%. Система ограничений в данном варианте будет выглядеть следующим образом:Ncov + Мгэс = 70 кВт; Ывэу + Ыгэс = 80 кВт. Вариант 2. Согласно работы микроэнергосистемы на основе ВИЭ с гидроаккумулированием, работа системы будет зависеть от ветровой и солнечной энергоустановки, а МГАЭС в этом случае будет выступать как резерв для покрытия недостающей энергии. Систему ограничений в данном варианте можно представить в следующем виде:Nc3y + Nr3c l00KBm; NB3y + Ыюс 100 кВт. Решив систему уравнений, с помощью программы Microsoft Office Exel, решение имеет следующий вид:
