Введение к работе
Актуальность темы обусловлена необходимостью создания системы научно-методического, информационного, технико-экономического и нормативно-правового обеспечения ветроэнергетики в России и важнейших для ее становления разработок схем размещения ВЭС в РФ, государственной и региональных стратегий, программ и правовой базы. Основу такой системы должны составлять достаточно достоверные и эффективные по срокам и затратам (отсутствующие ныне) методики определения характеристик ВЭП и технико-экономических показателей ВЭУ.
Цель работы – разработка методологии и реализующей ее расчетной методики для ресурсного и технико-экономического обоснования целесообразности, масштабов и направлений использования ВЭУ в субъектах РФ и России в целом.
Научная новизна работы состоит в разработке и использовании нового методического подхода и реализующих его методик определения в заданном месте или районе РФ энергетических и экономических показателей современных ВЭС, исследования их технической эффективности и надежности, а также оптимального планирования их использования с учетом ресурсных, инфраструктурных и макроэкономических условий в РФ и ее регионах, основными результатами которых явились выявленные:
1) многолетний ход и долгосрочный (на весь ресурсный период) прогноз ремонтных простоев, эксплуатационных затрат и технической готовности и энергетических показателей ВЭУ и ВЭС с учетом региональных и местных характеристик ВЭП.
2) новые закономерности территориального и временного распределения и существенно уточненные региональные характеристики ВЭП и энергетических показателей ВЭС на территории России и выявленные регионы РФ, перспективных для эффективного использования современных ВЭС. Кардинальное повышение точности моделирования ВЭП и мощности ВЭС достигнуто автором с использованием компьютерных технологий обработки и статистического моделирования многолетних аэрологических данных в совокупности с данными метеонаблюдений.
3) развитая методика прогнозных оценок экономических показателей ВЭУ и ВЭС в разных регионах РФ и достоверно установленная их рыночная конкурентоспособность в выработке электроэнергии с традиционными для России ТЭС.
4) возможности повышения энергетической и экономической эффективности сетевых ВЭС и автономных ВДЭС и принципиально новых энергоисточников на базе ВЭУ и источников ЭлЭн на базе использования жидкого азота как энергоносителя.
В части 1 наиболее важными результатами автора являются установленные:
– уравнения связи мощностей ВЭУ и их рабочих характеристик, диаметров ветроколес и высот их башен, высотных профилей скорости и направления ветра в ПСА;
– модели и количественная оценка факторов снижения мощности ВЭУ;
– прогностические модели изменчивости за 20-летний ресурс вероятности и длительности технических простоев, технической готовности и выработки электроэнергии ВЭС;
– прогноз располагаемой мощности ВЭУ в заданном районе или пункте России и значений удельной (на 1 км2 занимаемой площади) мощности современных ВЭС;
– значения и пределы точности и достоверности долгосрочного определения мощности ВЭС и ее региональной и сезонной изменчивости на территории России;
– расчет величины технического ВЭП административных субъектов и РФ в целом.
В части 2 наиболее важными научными результатами являются установленные:
– статистически достоверные связи средних сезонных скоростей и направлений ветра с характеристиками подстилающей поверхности и рельефа и создание на их базе и классификации Милевского ветровой закрытости МС метода “очистки” данных;
– новый класс наиболее достоверных из известных табулированных функций, аппроксимирующих региональные эмпирические повторяемости ветра по скоростям;
– факторы и закономерности высотного распределения высотных профилей скорости V(h) и направления (h) ветра и ВЭП в ПСА в разных регионах России;
– новый класс высокоточных многоуровневых моделей V(h) и (h), построенный по метеорологическим и аэрологическим данным для разных климатических регионов;
– значения и пределы точности и достоверности определения ВЭП в России;
– достоверные средние сезонные значения ВЭП в 600-метровом ПСА в разных климатических регионах России, рассчитанные по моделям V(h) и G(V);
– новые регионы России с достаточным ВЭП для эффективного использования ВЭС.
В части 3 наиболее важными научными результатами являются:
– уточненные с использованием развитого методического подхода значения экономического ВЭП административных субъектов и РФ в целом;
– математическая модель связи капитальных затрат (Кз) на ВЭС с техническими параметрами ВЭУ и установленные особенности структуры Кз в российских условиях;
– прогностические модели многолетних расходов на ремонт и выявленные с их помощью многолетний ход затрат на эксплуатацию ВЭС и их экономический ресурс;
– моделирование и прогноз на ресурсный период доходов и расходов на ВЭС при различных сценариях инфляции и роста цен на электроэнергию и топливо в РФ и ЕС;
– разработанная эффективная для РФ схема ценообразования на электроэнергию ВЭС;
– установленные значения экономического эффекта использования ВЭС в России.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты обеспечивают возможности ускоренного и достоверного определения технико-экономических показателей проектов ВЭС любого масштаба, разработки схем оптимального размещения ВЭС на территории России и региональных и государственной программ развития отечественной ветроэнергетики. Практически важные результаты включают:
– численные прогностические модели многолетней длительности ремонтных простоев, технической готовности, выработки ВЭС и эксплуатационных затрат на них;
– численно реализованную методику статистически достоверного расчета ВЭП, энергетических и экономических показателей ВЭС на территории России;
– установленные субъекты РФ, районы, места и отрасли эффективного использования ВЭС с их технико-экономической оценкой и обоснованием инвестиций;
– методические рекомендации по оптимальному с учетом местного ВЭП выбору технических характеристик сетевых ВЭС, оптимальной комплектации ВДЭС и использованию источников энергии нового типа на базе ВЭУ и жидкого азота для эффективного и экологически чистого автономного производства ЭлЭн.
– рекомендации к разработке эффективной схемы закупочных цен на ЭлЭн ВЭС в РФ;
– установленные технологически, энергетически и экономически целесообразные темпы и масштабы использования ВЭС в России до 2030 г., ресурсное и технико-экономическое обоснование генеральной схемы размещения ВЭС в РФ до 2020 г.;
На защиту выносятся следующие положения:
-
Автором разработана методология и реализующая ее информационно-аналитичес-кая и численная методика определения и анализа ВЭП и энергетической эффективности ВЭС известных типов в заданной месте или районе с погрешностью < 12–15% для равнинных и 18–24% для сложных по рельефу и подстилающей поверхности территорий, что минимум вдвое точнее других известных аналитических методик. Методика близка по точности к требуемой за рубежом 10%-ной точности обоснования инвестиций проектов ВЭС (достигаемой с использованием экспериментальных и аналитических методов), но в 3–4 раза эффективнее зарубежных по затратам времени и средств.
-
Выбор определяющих энергетическую и экономическую эффективность ВЭС технических параметров и типов базовых ВЭУ, а также их использования в гибридных (ветро-дизельных, ветро-криогенных) должен производится с учетом характеристик ВЭП, существенно меняющихся по территории РФ.
-
Результаты исследований, полученные с использованием разработанных автором методик, доказывают, что в России имеются все (за исключением правовой базы) необходимые ресурсные, технические, энергетические и экономические условия для широкомасштабного эффективного использования ВЭС. При этом:
3.1) технический ВЭП РФ превышает 11500 млрд кВтч/год (в 11,5 раз больше потребления ЭлЭн в стране), ВЭП Центрального, Северо-Западного, Приволжского и Южного ФО, где проживает 73% населения РФ, составляет не менее 3450 млрд кВтч/год;
3.2) энергетический потенциал ВЭС, вырабатывающих ЭлЭн с меньшей на 18-20% себестоимостью, чем наиболее экономичные в настоящее время ТЭС на газе, превышает 1100 млрд кВтч/год (больше современного потребления ЭлЭн в РФ);
3.3) с учетом установленных в работе технологических и производственных ограничений суммарные установленные мощности ВЭС в РФ к 2020 и 2030 годам могут составлять до 7 и 30 ГВт соответственно с годовой выработкой не менее 17,5 и 80–85 млрд кВтч/год с ее долей до 5–6% от потребления ЭлЭн в стране в 2030 г.
3.4) годовое замещение газа в РФ при работе ВЭС суммарной мощности 30 ГВт может составить 30–35 млрд м3 при сокращении выбросов в атмосферу СО2 40–50 млн т.
3.5) целесообразные масштабы эффективного использования ВЭС составляют: в ТЭК – до 30 ГВт, на транспорте – до 17 ГВт, в АПК – не менее 1,9 ГВт;
Личный вклад автора состоит в том, что им:
– проведен анализ достигнутого уровня и перспектив развития ВЭ в мире и России;
– сформулирована и структурирована актуальная для России научно-техническая проблема; разработана методология и обеспечено поэтапное ее решение;
– реализован сбор и анализ данных измерений МС и АС и на их основе разработана и численно реализована методика статистического моделирования территориальных, сезонных и суточных распределений ВЭП в ПСА на территории России;
– проведен анализ пространственного и временного распределения ВЭП на территории РФ, выявлены районы его возможной эффективной утилизации;
– выявлены функциональные связи характеристик ВЭП с технико-экономическими показателями ВЭС и установлены регрессионные соотношения между ними;
– разработаны и численно реализованы методики определения экономической эффективности ВЭУ и ВЭС на территории России;
– разработаны обоснования инвестиций более 40 проектов ВЭС в РФ для международных и отечественных организаций (TACIS, NREL, РАО “ЕЭС России”, “РусГидро”, ЦАГИ, ИЭС, НИИЭС, НПО “Ветроэн”, “Ветроэн-Юг” и др.
Апробация и экспертиза работы и ее результатов проводилось более чем на 60 международных и российских конференциях и семинарах GWEC, EWEA, TACIS, NREL (США), RISO (Дания), IEO (Бразилия), ЦАГИ, ИФА РАН, МГУ, КГТУ, ИО РАН.
Диссертация содержит 135 публикаций автора: 5 монографий, свыше 100 статей в научно-технических журналах (23 – из списка ВАК), сборниках научных трудов, докладов и тезисов конференций, до 20 отраслевых НТО, 9 стандартов РФ и ISO.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 298 наименований. Работа содержит 273 страниц текста и включает 132 таблицы, 128 рисунков и 25 цветных карт.
