Содержание к диссертации
Введение
1 Существующие энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии, перспективы их эффективного комбинированного использования ІЗ
1.1 Возобновляемые источники энергии, особенности их использования 13
1.2 Установки преобразования возобновляемых источников энергии 14
1.3 Принципы комбинированного использования возобновляемых источников энергии 22
1.4 Дополнительное оборудование 25
1.5 Существующие варианты комбинированных систем автономного электроснабжения 35
1.6 Выбор направления исследований 36
Постановка задач диссертации 37
2 Современные средства разработки и исследования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии, проведение теоретических исследований 39
2.1 Структурная блок-схема комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 39
2.2 Программный комплекс определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 44
2.2.1 Методика определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 44
2.2.2 Описание программного комплекса 51
2.3 Оптимизационные исследования применения комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 57
2.4 Проверка достоверности результатов оптимизации 66
2.5 Исследования эффективности схемного построения комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 72
2.6 Электродинамическая модель комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 74
2.7 Разработка и описание алгоритмов автоматической системы управления и контроля 75
2.8 Исследования функционирования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 85
Выводы по главе 95
3 Физическая модель комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 97
3.1 Конструкция физической модели комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 97
3.2 Экспериментальные исследования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 107
3.3 Система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии 111
Выводы по главе 114
4 Перспективные области применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 115
4Л Применение комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 115
4.2 Экономическая эффективность применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 119
4.2.1 Общие положения по оценке экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 119
4.2.2 Оценка экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии 122
Выводы по главе 131
Заключение 132
Список принятых сокращений и условных обозначений 134
Список литературы 141
- Установки преобразования возобновляемых источников энергии
- Программный комплекс определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
- Экспериментальные исследования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
- Экономическая эффективность применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
Введение к работе
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это источники энергии ближайшего будущего. Они характеризуются экологической чистотой, высокой безопасностью, многие из них повсеместно доступны, а их ресурсы во много раз превышают обозримые потребности в энергии всего человечества. Но, не смотря на все положительные качества ВИЭ, им присущи и недостатки, основными из которых являются малая плотность, неравномерность географического распределения и нестабильность (суточная, сезонная, погодная) энергетических потоков. Несовершенство технологий также ограничивает их широкое распространение. Решение этих проблем, бесспорно, возможно и осуществимо. Уже сейчас уровень развития современной науки и техники позволяет успешно использовать ВИЭ для энергоснабжения потребителей в целом ряде случаев.
Существенная часть территории России является малозаселённой. Прежде всего, это районы Крайнего Севера, восточные регионы и горная местность. Для этих областей уже сейчас вопрос использования ВИЭ является бесспорным, поскольку передача туда электрической энергии (ЭЭ) по линиям электропередач крайне неэффективна, а доставка топлива обходится дорого.
Актуальность темы.
Роль и место ВИЭ в топливно-энергетическом балансе стран всего мира уже очевидны. Население Земли начинает ощущать угрозу топливного «голода» и ухудшение состояния окружающей среды. В такой ситуации человечество должно быть готово к быстрому и эффективному переходу на новые источники, такие как ВИЭ, обеспечивающие неисчерпаемую и чистую энергию. Понимая это, руководство многих стран принимает множество законопроектов, так или иначе стимулирующих развитие ВИЭ, а также непосредственно инвестирует в связанные с ними проекты. В настоящее время и в РФ отмечается понимание будущей роли ВИЭ, за последние несколько лет подписаны:
- указ Президента Российской Федерации от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»;
- распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии до 2020 года».
Установки на основе ВИЭ наиболее перспективны на данный момент для автономного электроснабжения, поскольку около 2/3 территории России, где проживает постоянно несколько миллионов человек, находиться вне зоны централизованной системы электроснабжения. Наиболее рационально при этом комбинированное использование ВИЭ, поскольку оно имеет ряд преимуществ по сравнению с одиночным использованием. Так, например, солнечная и ветровая энергия обычно дополняют друг друга, как правило, при пасмурной погоде ветра сильнее, а в солнечные дни – слабее, что дает возможность использовать установки в составе гибридной системы значительно меньших мощностей, а, следовательно, и меньших стоимостей. Такие ВИЭ, как солнце и ветер, характеризуются высокой неравномерностью приходящей энергии, поэтому их комбинированное использование совместно с менее подверженными случайным факторам источниками, например, малым водотоком, позволяют повысить качество и бесперебойность электроснабжения.
Повысить эффективность автономных систем электроснабжения можно также благодаря использованию современной компонентной базы объединенной специализированной автоматической системой управления и контроля (АСУК), способной к оперативному распознаванию конкретных ситуаций, происходящих в системе, и соответствующей реакции на них согласно заранее выработанным алгоритмам. Подобного рода системы могут являться не просто новейшими системами электроснабжения, но и частью развития современной энергетики: концепции Smart Grids («умные» сети). Таким образом, исследование по формированию современных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ является актуальным и своевременным.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» Министерства образования и науки Российской Федерации.
Целью диссертационной работы является повышение экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ за счет оптимизации их состава и параметров, энергоэффективности за счет применения специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласования процесса производства и потребления электрической энергии, технологической эффективности за счет применения специализированной двухуровневой АСУК построенной в рамках централизованного принципа управления.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать методику и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ (КСАЭ-ВИЭ) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является экономичность электроснабжения потребителя.
-
Провести оптимизационные исследования КСАЭ-ВИЭ для различных условий эксплуатации.
-
Разработать структурную и силовую схему КСАЭ-ВИЭ, позволяющую осуществить эффективное преобразование энергии, ее суммирование, накопление, распределение и регулирование.
-
Разработать алгоритмы управления работой КСАЭ-ВИЭ, определяющие ее функционирование как единого устройства.
-
Создать средства теоретического и физического моделирования КСАЭ-ВИЭ. Провести комплексные теоретические и практические исследования, их оценку.
-
Провести экономическую оценку использования КСАЭ-ВИЭ.
Научная новизна диссертационной работы.
-
Разработана методика и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной установки на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии, согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. В их основе лежит генерация почасовых потоков энергии возобновляемых источников исходя из общедоступных баз данных: справочника климата СССР или данных NASA.
-
Разработаны алгоритмы: «Баланс энергии», отвечающий за поддержание энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ согласно двухуровневому устройству АСУК, «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников», осуществляющие функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от возобновляемых источников.
-
Создана электродинамическая модель КСАЭ-ВИЭ с реализованными алгоритмами управления энергоустановки – базовой основой системы управления.
-
Создана физическая модель с двухуровневой АСУК, имитирующая работу КСАЭ на основе трех ВИЭ.
Практическая ценность.
Результаты разработок и исследований использованы в процессе проведения научно-исследовательской работы по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» по теме: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования».
В рамках диссертационной работы предложен комплекс мер (подходов) по повышению эффективности комбинированных систем.
Повышение экономической эффективности связано с разработкой методики и программного комплекса по определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. Это позволяет при одинаковой стоимости системы получить большее количество выработанной ею электроэнергии или снизить стоимость КСАЭ-ВИЭ, оставив неизменной выработку электроэнергии. Изначальный состав электроустановок на основе ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) может быть расширен новыми генерирующими модулями ВИЭ (биогазовые, геотермальные установки и т.д.) и накопителями энергии (водородный накопитель и др.).
Условия определения оптимума не всегда постоянны и могут существенно изменяться с течением времени, в частности стоимость оборудования, его тип, нагрузка потребителя и пр. В связи с этим разработанные рекомендации и карты с течением времени теряют свою актуальность, а для другого типа оборудования, потребителя результаты оптимизации могут существенно различаться. Разработанный же программный комплекс, учитывая множество факторов и особенностей настоящего, позволяет получить в короткий срок достоверные результаты актуальные для текущих условий эксплуатации КСАЭ-ВИЭ. Так, исследования использования разного типа АБ показали перспективность нового типа АБ – литий-железо-фосфатных (LiFePO4). Их применение, вместо традиционных для энергетики свинцово-кислотных АБ, позволяет снизить себестоимость электрической энергии при электроснабжении потребителя за счет КСАЭ-ВИЭ для рассмотренных пяти географических точек до 20 % (в среднем на 17 %).
Повышение энергоэффективности достигается применением специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласованием процесса производства и потребления электрической энергии. Результаты теоретического моделирования эксплуатации КСАЭ-ВИЭ на примере пяти географических точек показали, что повышение напряжения непосредственно на выходе генерирующих установок системы до входного инверторного позволяет сократить потери электрической энергии при преобразовании до 16 % (в среднем на 13 %). Работа на повышенном напряжении позволяет также снизить токовые потери в системе, дополнительно повысив общий КПД. В свою очередь, разделение потребителя на группы позволяет грамотно распределить нагрузку, увеличив объемы «прямого» потребления энергии, что позволяет уменьшить объемы компенсируемой энергии с помощью накопителя, а, следовательно, связанные с этим потери энергии. Более эффективную реализацию этой функции позволяет осуществить прогнозирование выработки энергии от возобновляемых источников (ВИ) благодаря возможности спланировать работу системы на предстоящей период времени.
Выбор первичных источников КСАЭ-ВИЭ был обоснован повышением надежности электроснабжения потребителя, что можно отнести к обобщенным характеристикам эффективности.
Повышение технологической эффективности связано с разработкой логики, алгоритмов специализированной двухуровневой АСУК в рамках централизованного принципа управления с учетом особенностей ВИЭ, и заключается в осуществлении более эффективных процессов функционирования системы и расширении ее функциональных возможностей. Это позволяет заложить в систему электроснабжения новые принципы, соответствующие концепции Smart Grids, обеспечив таким КСАЭ-ВИЭ в перспективе роль активного участника распределенной энергетики.
Отметим, что предложенный комплексный подход к повышению эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения с использованием ВИЭ обеспечивает качественно новый уровень таких систем электроснабжения.
Ценными с практической точки зрения являются и сами разработки (средства), предназначенные для оценки принятых мер, направленных на повышение эффективности КСАЭ-ВИЭ, и их реализацию. В частности, входящая в состав программного комплекса оптимизации математическая модель может также производить моделирование эксплуатации КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных условий на основе данных мониторинга ресурсов ВИЭ. А решения, используемые при ее создании, в том числе генерации потоков энергии ВИЭ, лежат в основе функции прогнозирования выработки энергии от ВИ, реализуемой на основе прогнозных данных погоды.
Разработанная электродинамическая (математическая) модель КСАЭ-ВИЭ позволила реализовать основу АСУК и исследовать ее функционирование. Однако это только база, позволяющая без привлечения значительных материальных затрат совершенствовать алгоритмы и разрабатывать АСУК для различных конфигураций, свойств и функций КСАЭ-ВИЭ. Кроме того, модель позволяет разрабатывать и готовить отдельные программные части АСУК для использования в микроконтроллерах системы.
В свою очередь физическая модель КСАЭ-ВИЭ позволяет практически оценить достоверность принятых научно-технических решений.
Разработанные средства подтвердили перспективность создания и эффективность такой энергоустановки. Они позволяют с уверенностью и большим количеством наработок переходить к созданию промышленных образцов КСАЭ-ВИЭ. К тому же в них имеется востребованность: анализ регионального размещения потенциальных потребителей автономных источников энергоснабжения мощностью до 10 кВт позволил выделить в качестве потенциальных потребителей КСАЭ-ВИЭ жителей множества регионов России.
Отдельные составляющие электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ могут использоваться в учебном процессе при подготовке научных кадров в области ВИЭ.
Система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ, позволяет проводить исследования в натурных и лабораторных условиях. Лабораторно-исследовательский стенд, созданный на ее основе, внедрен в учебный процесс МГУИЭ, ГНУ ВИЭСХ, МарГУ, а также 10 школ Москвы и 6 школ Рязанской и Калужской областей по контракту №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. (Государственный заказчик – Департамент науки и промышленной политики г. Москвы).
Положения, выносимые на защиту.
-
Методический подход к определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) позволяет повысить достоверность получаемого результата посредством учета большого количества факторов и особенностей, в том числе коротких временных промежутков и поиска оптимума энергоустановок на основе ВИЭ совместно с АБ.
-
Алгоритм «Баланс энергии» позволяет поддерживать равенство энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ исходя из двухуровневого устройства АСУК, а алгоритмы «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников» позволяют реализовать функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от ВИ.
-
Использование микро ГЭС в составе комбинированной системы позволяет повысить надежность электроснабжения потребителя, обеспечить конкурентоспособные в сравнении с традиционным автономным электроснабжением цены на электроэнергию, способствует развитию более дорогих технологий ВИЭ (ФЭУ и ВЭУ).
-
Результаты практических и теоретических исследований функционирования моделей системы на основе исключительно трех ВИЭ подтверждают обоснованность и перспективность принятых решений (схемного построения КСАЭ-ВИЭ, построения АСУК) и разработок (электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ) для создания эффективных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ.
-
Предложенные подходы по повышению экономической, технологической и энергетической эффективности КСАЭ-ВИЭ обеспечивают как преимущество отдельных показателей, так и уровень совершенства системы.
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность оптимизационных расчетов проверена на конкретном примере. Достоверность и обоснованность результатов моделирования подтверждена совпадением теоретически полученных данных с данными испытаний физической модели КСАЭ-ВИЭ, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.
Апробация работы.
Материалы диссертации использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058, а также работе по заказу Департамента науки и промышленной политики г. Москвы контракт №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва МГУ им. М.В. Ломоносова), 24-ой Международной молодежной научно-технической конференции Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ и Ассоциации «Гидропроект» «Инновации в энергетику» (г. Звенигород), Научно-практической конференции ВИЭСХ (г. Москва ГНУ ВИЭСХ). Ежегодной научно-технической конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (г. Москва ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина), 1-ой научно-образовательной конференции ОЭПЭЭ / IAEE «Экономика энергетики как направление исследований: передовые рубежи и повседневная реальность» (г. Москва МШЭ МГУ им. М.В. Ломоносова), Международной научно-практической конференции Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК (г. Москва ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 статья в журнале «Энергетик», 1 – в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 2 публикации, включенные в систему цитирования (библиографической базы) Scopus, 1 патент РФ на полезную модель, и 1 монография (в соавторстве).
Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированных 50 рисунками и 34 таблицами, и снабжена 6 приложениями; список литературы включает 121 наименование.
Установки преобразования возобновляемых источников энергии
Современная ветроэнергетика базируется, в основном, на применении ветроустановок двух основных видов [15,16]: горизонтально-осевых (пропеллерных) и вертикально-осевых (ортогональных). Роторы последних выполняются в виде вертикально расположенных лопастей, перпендикулярных направлению ветра, или в специальном исполнении - роторы «Дарье» (рисунок 1.56). В горизонтально-осевых установках ветряное колесо имеет крыловидную форму и вращается в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению ветра, а ось ветроколеса параллельна потоку (рисунок 1.5а). В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэлектрических установок (ВЭУ) доля горизонтально-осевых установок составляет более 90 %. Это вызвано, в первую очередь, малой изученностью вертикально-осевых ветроустановок. До недавнего времени ошибочно считалось, что коэффициент использования энергии ветра подобных типов ВЭУ значительно ниже горизонтально-осевых. По сути, вертикально-осевые установки - это новые разработки, и уже сейчас в определенном классе мощностей они вполне могут конкурировать с горизонтально-осевыми. Основные конструкции горизонталыю-осевых и вертикально-осевых ветроустановок для использования в автономных системах электроснабжения представлены на рисунке 1.6 [17,18].
Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения выполняются в виде ветроколеса с различным числом лопастей (Ы2 и более), расположенных по радиусам и под некоторым углом к плоскости вращения [15]. Рабочий момент в ветроколесе создается иод действием аэродинамических сил, возникающих на лопастях, имеющих специальный аэродинамический профиль.
Наибольшая эффективность горизонтально-пропеллерных установок достигается только при условии обеспечения постоянной коллениарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении.
Для регулирования постоянной рабочей частоты вращения при постоянно изменяющейся скорости ветра, а также для поддержания оптимального угла атаки во всех положениях лопасти на окружности вращения в ветроэлектрических установках горизонтально-пропеллерного типа применяются поворотные лопасти [20].
Принцип работы вертикально-осевой схемы, основанный па использовании подъёмной силы прямых лопастей, вращающихся вокруг вертикальной оси. является серьёзной альтернативой горизонтально-осевым конструкциям. Её главным преимуществом являє гея отсутствие необходимости использования устройства ориентации относительно направления ветра. Кроме того, упрощаются конструкция и монтаж, более удобным становится расположение генератора и редуктора, что важно при эксплуатации. Снижаются также дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и других элементах крыльчатых установок, вызванные гироскопическими нагрузками.
Что касается коэффициента использования энергии ветра, то для горизонтально-осевых ВЭУ он выше и лежит в пределах 0.4-0.53. У ортогональных же он несколько ниже и достигает значений 0.35-0,4. Преимуществом горизонтально-осевых ВЭУ также является более рациональная силовая схема ветроколеса за счет крепления лопастей к ступице, расположенной непосредственно на оси вращения. Такая конструкция не требует дополнительных узлов крепления лопасти и создает оптимальное ее нагружение и оптимальную материалоемкость опорной башни за счет распределения частоты резонанса ее собственных колебаний ниже возмущающих рабочих частот ветроколеса.
С точки зрения воздействий на окружающую среду ветроэнергетика все же оказывает некоторое неблагоприятное влияние, наиболее «вредными» при этом являются горизонтально осевые ветроустановки, характеризующиеся быстроходностью ветроколеса. Им свойственен высокий уровень аэродинамических и механических шумов, большой радиус разлета наледи и осколков лопасти в случае ее разрушения. Кроме этого, вращающееся встроколесо создает непреодолимую преграду на пути птиц и насекомых.
По своему технологическому исполнению ВЭУ могут вырабатывать как постоянный, так и переменный ток, в зависимости от типа используемой электрической машины (генератора). В мировой практике крупные гидроэлектрические станции (ГЭС) не относятся к объектам возобновляемой энергетики (более 30 МВт), главным образом из-за необходимости организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом. Малая гидроэнергетика является одним из наиболее эффективных направлений развития альтернативной энергетики, в том числе и для электроснабжения автономных потребителей [21,22]. В процессе сооружения и последующей эксплуатации микроГЭС не возникает вредного влияния на свойства и качество воды. В мировой практике эксплуатации микро ГЭС наиболее распространенными являются следующие три разновидности: - деривационные напорные микро ГЭС, где необходимая концентрация воды создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы и поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводу к турбине микро ГЭС (рисунок 1.7а); - деривационные безнапорные микроГЭС, водоотвод которых представляет собой напорный трубопровод или рукав, уложенный на поверхности земли вдоль реки. Конструктивное исполнение предусматривает при этом возможность перемещения микроГЭС на иное место установки без нарушения готовности к работе ее основных узлов (рисунок 1.76) [23]; - смешанные деривационные микро ГЭС, в которых напор создается как за счет плотины, так и за счет естественного перепада уровня воды, реализуемого при помощи деривации.
В активной (импульсной) турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения вала. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД активных турбин колеблется от 60 до 85 %, и может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй. Наиболее распространенными импульсными турбинами являются турбина Пелтоиа и турбина поперечного течения (рисунок 1.8).
В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. Энергия воды за счет увеличения давления увеличивает скорость потока на направляющих лопастях и непосредственно на рабочем колесе турбины. Типичный пример реактивной турбины - турбина Френсиса, вращение колеса в которой осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе, а вода поступает в рабочее колесо радиально (рисунок 1.8). Зазор между рабочим колесом и камерой переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины. Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например, пропеллерная турбина Каплаиа (рисунок 1.8). Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления.
Программный комплекс определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
Особенности оптимизационной задачи. Одной из задач диссертационной работы является определение оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является минимум затрат на электроснабжение потребителя. Определяемыми параметрами являются оптимальные мощности генерирующих модулей на основе ВИЭ и емкости аккумуляторных батарей. Использование того или иного генерирующего модуля определяет состав КСАЭ-ВИЭ. Условием обеспечения гарантированного электроснабжения потребителя является соблюдение энергетического бааанса между выработкой и потреблением в течение всего срока эксплуатации. Необходимо отметить, что для ВИЭ характерны такие свойства, как прерывистость и периодичность, и, в тоже время, малая изменчивость величины энергоресурсов из года в год.
В целом энергоресурсы некоторых ВИЭ относительно постоянны и хорошо прогнозируются только за длительные периоды времени равные месяцу или году. При этом необходимо отметить, что потоки энергии этих источников за месяц относительно постоянны из года в год только для определенного месяца, а от одного календарного месяца к другому значения этих ресурсов не постоянны и изменяются в значительных пределах. Прогнозирование на более короткие периоды времени затруднительно, так как приход энергии солнца и ветра зависит от множества факторов. Приход солнечной радиации описывается функцией от времени, состоящей из детерминированной (день-ночь, месяц, год, определяемой геометрией Земля-Солнце) и случайной (климат, метеорология) составляющих. Ветровой поток описывается случайной функцией. Для третьего возобновляемого источника, используемого в комбинированной системе - малого водотока - значение энергоресурсов относительно постоянно за все интервалы времени, и возможны, в основном, сезонные изменения.
Потребитель характеризуется неравномерным потреблением электрической энергии за короткие интервалы времени - сутки, и относительно постоянным потреблением за длительные - месяц, год. В этой связи такие установки требуют использования накопителей энергии, осуществляющих компенсацию (распределение) энергии в связи с неравенством потребления и генерации путем аккумулирования энергии в периоды ее избытка и выдачи ее в моменты дефицита. Поскольку аккумуляторные батареи способны в течение длительного срока хранить электрическую энергию (месяцы), они могут применяться и для сезонного выравнивания выработки и потребления.
Таким образом, при определении мощности генерирующих устройств на основе ВИЭ, достаточных для обеспечения электроснабжения потребителя, необходимо рассматривать выполнение энергетического баланса с учетом использования АБ на среднегодовой, среднемесячный и среднечасовой периоды. Однако если при электроснабжении используется управляемый источник (биотопливная установка, ДГУ, БГУ) или имеется подключение к электрической сети, то АБ выбираются по-другому принципу и при оптимизации не рассматриваются. Их главная цель в этом случае - обеспечить электрической энергией потребителя в моменты времени малой нагрузки. Однако их следует учитывать в дальнейшем при проверке (моделировании) работы системы.
При этом, решая задачу оптимизации, целесообразно не учитывать элементы компенсации (биотопливную установку, ДГУ, БГУ, сеть), поскольку произведенная ими энергия, пусть и в разной степени, но не экологична. Более того, для ее получения они затрачивают топливо. Топливо, как элемент долго хранящийся и не претерпевающий изменений (нет потерь), рациональнее использовать для компенсации неравномерностей приходящей энергии от нестабильных ВИ.
Постановка оптимизационной задачи. Искомые переменные - мощности энергоустановок на основе ВИЭ и емкость накопителя в одном случае, а также мощности энергоустановок в другом (когда компенсация осуществляется не только за счет АБ), которые принимают определенные значения, согласно их типоразмерному ряду.
При такой формализации задачи оптимизации нельзя утверждать о точности полученных результатов, поскольку не учитываются некоторые факторы. Во-первых, коэффициент глубины разряда (использования энергии) АБ зависит от требуемой энергии и определяет выдаваемую разрядную емкость АБ. Во-вторых, неточность представления АБ в выражении (2.8) как самостоятельного источника энергии необходимо учитывать введением дополнительного ограничения. Оно формирутся исходя из того, что АБ являются источником энергии, выработка которых непосредственно зависит от выработки генерирующих модулей на основе ВИЭ. Тогда среднегодовая выработка энергоустановками на основе ВИЭ должна превосходить требуемую среднегодовую нагрузку с учетом коэффициента потерь на компенсацию электрической энергии, т.е. потерь в АБ. Но при этом сложно точно оценить величину компенсируемой энергии. Таким образом, в связи с вышеизложенными факторами решение оптимизационной задачи классическими методами линейного программирования [76,77] приводит к неточным результатам, поэтому принято решение определять оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ методом последовательных итераций.
Найденные таким образом параметры элементов КСАЭ-ВИЭ являются обобщенными, поскольку в них используются средние значения, определяющие выражения являются упрощенными, а некоторые зависимости и вовсе не учитываются, поскольку из-за изменчивости во времени их очень сложно выразить простыми средствами. Поэтому после их определения целесообразно провести моделирование работы КСАЭ-ВИЭ в течение всего расчетного периода: проанализировать ее функционирование; проверить оптимальные параметры; внести корректировки. Более того, для решения задачи оптимизации требуются коэффициенты использования энергоустановок, характеризующие климатические условия выбранной местности, а также характеристики используемого оборудования, которые моделирование позволяет наиболее точно определить.
Экспериментальные исследования комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
Созданная физическая модель КСАЭ-ВИЭ обеспечивает проверку разработанных научно-технических решений, отвечающих за работу системы. Такие особенности, как разделение потребителя на несколько групп и прогнозирование работы КСАЭ-ВИЭ на предстоящий период, предназначенные для согласования процесса производства и потребления энергии, проработаны в теории.
Поскольку имитаторы генерирующих модулей переменного тока являются стабилизаторами напряжения, алгоритмы МИП разработаны, таким образом, что сами выполняют функцию ограничения мощности (ограничивая отбираемый ток).
Анализ состояния устройств, согласно таблице 3.5, соответствует функционированию физической модели КСЛЭ-ВИЭ в режиме электроснабжения напрямую от энергоустановок ВИЭ (таблицы 2.11,2.14). Мощность (500 Вт), генерируемая имитаторами энергоустановок на основе ВИЭ, сопоставима с потреблением нагрузки (450 Вт за вычетом потерь), поэтому ее питание осуществляется напрямую (и только) от них. Что подтверждается также фактом соответствия напряжения на выходе МИП (387 В), равного напряжению буфера, зоне допуска -между выработкой и потреблением установилось равенство.
Согласно полученным результатам МИП выполняет свои функции - на его выходе, т.е. на клеммах буфера, суммируется энергия от всех имитаторов энергоустановок на основе ВИЭ. Представленный график характеризует работу инвертора при подключенной к его выводам трехфазной нагрузке в виде асинхронного двигателя. При этом реализована возможность управления скоростью вращения двигателя. В данном случае частота выставлена на уровне 70 Гц, двигатель не нагружен, потребляемая мощность 30 Вт, cos (р = 0,75. Зеленая, желтая и синяя кривые определяют напряжение фазы А, В, С соответственно. Красный график определяет ток фазы А. Изначально нагрузка была однофазной, но в процесс выполнения НИР было решено дополнительно реализовать задачу, подключения трехфазной нагрузки к КСАЭ-ВИЭ, в частности, двигателя с возможностью управления скоростью его вращения.
Анализ состояния устройств, согласно таблице 3.5. подтверждает соответствие функционирования физической модели КСАЭ-ВИЭ в режиме электроснабжения потребителя с профицитом энергии (таблицы 2.11,2.14). Мощности (500 Вт), генерируемой имитаторами энергоустановок на основе ВИЭ. достаточно для питания нагрузки (200 Вт), возникающий при этом избыток (240 Вт за вычетом потерь), в связи с полной заряжеииостью АБ, потребляется в БУ.
Анализ состояния устройств, согласно таблице 3.5. подтверждает соответствие функционирования физической модели КСАЭ-ВИЭ в режиме электроснабжения потребителя с аккумулированием энергии (таблицы 2.11,2.14). Мощности (450 Вт). генерируемой имитаторами энергоустановок на основе ВИЭ. достаточно для питания нагрузки (350 Вт), возникающий при этом избыток (50 Вт за вычетом потерь) идет на заряд АБ, способных сохранить весь возникший профицит электрической энергии.
Анализ состояния устройств, согласно таблице 3.5, подтверждает соответствие функционирования физической модели КСАЭ-ВИЭ в режиме электроснабжения потребителя с использованием энергии накопителя (таблицы 2.11,2.14). Мощности (400 Вт), генерируемой имитаторами энергоустановок на основе ВИЭ, недостаточно для питания нагрузки (500 Вт), возникающий при этом дефицит компенсируется за счет АБ (136 Вт за вычетом потерь).
Этот режим характеризует возникновение недостатка генерируемой энергоустановками на основе ВИЭ электрической энергии для обеспечения потребителя, а также отсутствие возможности его компенсации за счет АБ, по причине критической разрядки последних, и, как следствие, отключение потребителя.
Анализ состояния устройств, согласно таблице 3.5, подтверждает соответствие функционирования физической модели КСАЭ-ВИЭ в режиме аккумулирования энергии в накопителе (таблицы 2.11,2.14). Мощность (60 Вт), генерируемая имитаторами энергоустановок на основе ВИЭ, в связи с отключением инвертора вся идет на заряд АБ (45 Вт с учетом потерь).
Проведенные исследования показывают, что: 1. Подтверждается практически работоспособность всех используемых элементов КСАЭ-ВИЭ, как в силовой части, так и в части их алгоритмов управления. Выполняются заявленные функции: синхронизация все трех имитаторов установок, использующих ВИЭ, на постоянном токе с отбором мощности и коррекцией коэффициента мощности, зарядка АБ, отбор избытка мощности, обеспечение потребителя электрической энергией надлежащего качества. 2. Разработанная силовая схема КСАЭ-ВИЭ работоспособна и позволяет достичь всех заявленных преимуществ. 3. Алгоритмы управления второго уровня АСУК функционируют верно, в системе поддерживается равенство баланса, все режимы работы соответствуют разработанным. 4. Функционирование всей системы соответствует заявленным положениям главы 2. Все показатели находятся в пределах нормы. Подтверждение принятых научно-технических решений на данном этапе позволяет утверждать, что на практике создание КСАЭ-ВИЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер малый водоток) возможно и рационально. 5. Разработанная физическая модель КСАЭ-ВИЭ позволяет качественно оценить работу системы при различных изменяющихся условиях.
Совместно с КСАЭ-ВИЭ разрабатывалась система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ, предназначенная для получения ряда -экспериментальных данных реально используемых энергоустановок с целью проведения дополнительных исследований по модернизации и совершеіісгвованию разработок связанных с КСЛЭ-ВИЭ [97-99]. В частности, чтобы получить данные по выработке электрической энергии ФЭУ и сопосгавления их с прогнозными опенками для корректировки коэффициентов облачности в алгоритме «Прогнозная оценка» (глава 2). Система также позволяет произвести мониторинг скорости изменения параметров энергоустановок при различных характеристиках ВИЭ (скорости ветра, интенсивности солнечного излучения) для последующего учета полученной информации в электродинамической модели системы и оценки устройств отбора мощности, а в случае необходимости доработки алгоритмов.
Данная система используется для учебных целей [100-102]. По контракту №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. (Государственный заказчик - Департамент науки и промышленной политики г. Москвы) подобные системы вместе с фотоэлектрическими модулями были поставлены в 10 школ г. Москвы. Помимо Москвы эти установки с соответствующими инструкциями и методическими указаниями внедрены в 6 школах Рязанской и Калужской областей.
Система запатентована в составе мультимедийного учебно-методического комплекса с применением космических технологий [ЮЗ]. Реализована она на базе устройства сбора данных USB 6008-6009 [104, 105. Для управления аппаратной частью системы написано программное обеспечение на языке графического программирования LabVIEW с информативным выводом данных в виде графиков и таблиц и их записи для дальнейшего анализа.
Экономическая эффективность применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
Для принятия решения о целесообразности применения систем электроснабжения на основе ВИЭ проведена экономическая оценка, характеризующая экономический потенциал проекта. Методологической основой оценки эффективности проекта, используемой в рамках представленной работы, является моделирование денежных потоков, включающих все связанные с осуществлением проекта денежные поступления и расходы за расчетный период [113-115]. Начальная часть расчетов приведена в главе 2, так как критерием оптимизации при поиске состава и параметров КСАЭ-ВИЭ является минимизация затрат на электроснабжение потребителя.
Модель проекта, или денежных потоков проекта, относится к классу имитационных, она представляет собой набор формул для расчета притока и оттока денежных средств. Реализована она программным методом с помощью СКМ MATLAB на ее собственном языке программирования, что позволяет эффективно и быстро рассчитывать параметры оценки экономической эффективности различных проектов.
Рассмотрение проекта охватывает весь жизненный цикл использования системы - от начала вложения инвестиций до окончания его эксплуатации. Для проекта на основе КСАЭ-ВИЭ расчетный период принят равным сроку эксплуатации КСАЭ-ВИЭ - 20 лет. Начало эксплуатации объекта 2012 г. Расчетный период разбивается на временные интервалы - шаги, продолжительность которых равна одному году. В качестве базового момента времени принимается момент конца нулевого шага, т.е. год начала эксплуатации объекта.
При оценке эффективности проекта учитывается влияние инфляции (учет изменения цен на различные виды продукции и ресурсов в период реализации проекта). Уровень инфляции в России за предшествующий год составил 6,1 % по данным «Российской Газеты» [116]. Он подтверждается и с прогнозной точки зрения ЦБ России, выдавшим прогноз инфляции в ближайшие годы на уровне 4-6% в год [117]. Однако, с учетом того, что Минэкономразвития официально подтвердило ухудшение своего прогноза по инфляции до 7 % [118], примем темп общей инфляции за год с пессимистическим прогнозом - 8 %.
Расчеты проводятся в прогнозных ценах с обязательным дефлированием. Дефлированными называются прогнозные цены, приведенные к уровню цен фиксированного момента времени. При оценке экономической эффективности используется два подхода: первый -упрощенный, без учета фактора времени и второй - с учетом фактора времени, что позволяет учесть неравноценность доходов и расходов, относящихся к разным периодам времени. Каждому из этих подходов свойственны свои критерии (показатели) оценки. Так, оценка экономической эффективности инвестиционного проекта без учета фактора времени предполагает расчет следующих основных показателей: чистого дохода; рентабельности инвестиций; срока окупаемости капитальных вложений.
Поскольку при расчетах каждого из перечисленных показателей не учитывается фактор времени, то в процессе расчета сопоставляются заведомо несопоставимые величины: текущая стоимость суммы инвестиций и будущая стоимость суммы прибыли. Поэтому с их помощью можно получить только ориентировочную оценку эффективности проекта. Учет факта неравноценности одинаковых сумм поступлений или платежей, относящихся к разным периодам времени, имеет большое значение для объективной оценки проектов, так как создание КСАЭ-ВИЭ связанно с долгосрочным вложением капитала [119].
Проблема эффективности вложения денежных средств в КСАЭ-ВИЭ заключается в определении того, насколько будущие поступления оправдывают сегодняшние затраты. Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта с учетом фактора времени предполагает приведение расходов и доходов, разнесенных во времени, к базовому моменту времени. Проведено дисконтирование, разновременные денежные потоки приведены к базовому периоду. Дисконтирование применяется к денежным потокам, выраженным в дефлированных ценах. Основным экономическим нормативом, используемым при дисконтировании, является норма дисконта (Е), выражаемая в процентах в год. Норму дисконта примем Е=10%.
При использовании подхода оценки экономической эффективности инвестиционного проекта с учетом фактора времени определяются следующие показатели: чистый дисконтированный доход (ЧДЦ), дисконтированный срок окупаемости, внутренняя норма доходности (ВНД), индекс доходности. Для осуществления сравнительного анализа вариантов, равных по результатам, т.е. количеству и качеству реализуемой продукции, применяется показатель суммарных дисконтированных затрат. Системность анализа, т.е. рассмотрение всего комплекса показателей, является основным условием получения объективной оценки экономической эффективности.
При оценке, с учетом особенностей современного этапа развития экономики, значительной продолжительности реализации проектов и связанной с этим неопределенности исходной информации наиболее значимым показателем считается срок окупаемости, который в наибольшей степени определяет инвестиционную привлекательность проекта [113]. Следующим по значимости за этим показателем можно считать ВНД, так как этот показатель определяет запас «экономической устойчивости» проекта. Показатели чистого дисконтированного дохода и близкого к нему индекса доходности, которые предполагают оценку прибыльности проекта на протяжении всего расчетного периода, из-за неопределенности информации о будущих доходах и расходах используются, в первую очередь, для предварительной оценки проекта. Темп роста цен на электроэнергию, исходя из анализа за последние несколько лет, принят равным 15 %. В свою очередь, рост цен на топливо принят равным инфляции. Производимая продукция и оборудование оцениваются по рыночным ценам. Стоимость МИП принимается всегда постоянной. Возрастание его стоимости при увеличении мощности энергоустановок на основе ВИЭ компенсируется тем, что при этом не учитывается снижение стоимости самих энергоустановок. Расчеты проведены для всех рассмотренных в разделе 2.3 вариантов применения КСАЭ-ВИЭ, что позволяет провести обширный анализ использования системы. Следует отметить, что разработанная программа способна осуществить и финансовую оценку, характеризующую возможность получения прибыли участниками проекта. Т.е. расчет проводится с учетом налогов и прочих перечислений в бюджет.
