автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Электроснабжение северных населенных пунктов на основе ветродизельных комплексов

804618704

БОБРОВ Алексей Васильевич

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ СЕВЕРНЫХ НАСЕЛЕНЫХ ПУНКТОВ НА ОСНОВЕ ВЕТРОДИЗЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

05.14.01 — Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ДЕК 2010

Красноярск 2010

004618704

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Тремясов Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ченцов Сергей Васильевич

кандидат технических наук, доцент Бастрон Андрей Владимирович

Ведущая организация: Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Защита состоится «22» декабря 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. А-204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета, по адресу: г. Красноярск, пр. Свободный, 79/10.

Автореферат разослан «22» ноября 2010 г. Ученый секретарь

диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Т. М. Чупак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большая часть обширной территории России с малой плотностью населения до сих пор не присоединена к централизованным энергетическим системам. В соответствии со статистическими данными, около 10 млн. населения, проживающих в северных территориях, на Дальнем Востоке и в некоторых других регионах, не присоединены к электрическим сетям энергосистем. Они получают электроэнергию от автономных систем электроснабжения (СЭС), в которых источниками электроэнергии являются дизельные генераторы (ДГ) небольшой мощности. Необходимое топливо завозится из отдаленных центров автотранспортом, водными путями и авиацией.

По принципу электроснабжения, север Красноярского края можно условно поделить на две части. Централизованное электроснабжение потребителей осуществляется от Таймырско-Норильской энергосистемы, расположенной в Юго-западной части Таймыра (Норильские ТЭЦ - Усть-Хантайская ГЭС - Курейская ГЭС). Оставшаяся часть территорий Таймыра и севера Эвенкии получает электроэнергию от дизельных электростанций (ДЭС). На территории Таймыра на сегодняшний день функционирует 24 автономные ДЭС общей мощностью 30 МВт. Эти ДЭС обеспечивают жизнедеятельность примерно 40 населенных пунктов на площади 880 тыс. кв. км с численностью населения около 17 тыс. чел. Ежегодный завоз дизельного топлива на территорию Таймыра составляет около 15,3 тыс. тонн. В этих условиях себестоимость 1 кВт ч произведенной электроэнергии превышает 25 руб.

Применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) в составе ветро-дизельных комплексов (ВДК) позволит снизить себестоимость потребляемой электроэнергии, приведет к существенной экономии топлива, что в свою очередь благоприятно скажется на экономической и экологической обстановке региона.

В соответствии с Распоряжением Правительства РФ за № 1-р от 08.01.2009 г. «Об использовании возобновляемых источников энергии» и федеральным законом «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» за № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. актуальной является, на основе системного подхода, разработка моделей и методов для оценки технико-экономических характеристик ВДК и конкретных рекомендаций по их применению.

Объект исследования - автономные СЭС северных населенных пунктов с применением ВЭУ с учетом технических, климатических, экономических условий и характеристик ветроэнергетического потенциала (ВЭП) территории.

Предмет исследования - условия функционирования и энергоэффективность автономных СЭС в населенных пунктах на территории Таймыра с использованием ВДК.

Целью диссертационной работы является исследование автономных систем электроснабжения с применением ветродизельных комплексов и разработка рекомендаций по повышению их энергоэффективности на примере северных населенных пунктов Таймыра.

Задачи исследования:

1. Провести анализ структуры электроснабжения децентрализованных зон Таймыра и обосновать необходимость применения ВДК.

2. Исследовать ветроэнергетический потенциал населенных пунктов Таймыра в целях производства электроэнергии.

3. На основе теории Марковских процессов разработать математическую модель для оценки выработки электроэнергии ВЭУ с учетом надежности и изменения погодных условий.

4. Предложить варианты построения ВДК в существующих децентрализованных СЭС региона.

5. Разработать методику выбора оптимального состава агрегатов ВДК в процессе проектирования на основе факторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений.

6.Сформулировать предложения по коррекции топливно-энергетического баланса автономных СЭС населенных пунктов Таймыра путем использования ветроэнергетического потенциала (ВЭП) местности.

Основная идея диссертации: разработка методической основы проектных решений по составу агрегатов ВДК, позволяющей повысить энергоэффективность автономных СЭС северных поселков.

Методы исследования: теория Марковских процессов, теория исследования операций, метод многофакторного эксперимента, методы математической статистики и теории вероятности, методы системного анализа, оценки экономической эффективности.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Анализ ВЭП в населенных пунктах Таймыра, заключающийся в оценке среднегодовой удельной энергии ветра, удельной мощности и валового потенциала электроэнергии в год.

2. Математическая модель для оценки выработки электроэнергии ВЭУ с применением аппарата Марковских процессов, учитывающая надежность и изменение погодных условий в процессе эксплуатации.

3. Методика выбора оптимального состава агрегатов ВДК в условиях неопределенности исходной информации с использованием многофакторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений.

4. Основные направления реконструкции автономных СЭС Таймыра с применением ВДК, обеспечивающих повышение энергоэффективности электроснабжения потребителей.

Научная новизна:

1. Выявлены районы и населенные пункты Таймыра, перспективные по ВЭП для внедрения ВЭУ в энергобаланс автономных СЭС.

2. Построена математическая модель для определения объема выработки электроэнергии ВЭУ, отличающаяся учетом надежности оборудования и погодных условий.

3. Разработана методика выбора оптимального состава оборудования ВДК в условиях неопределенности исходной информации на основе метода многофакторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений.

Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для совершенствования существующих СЭС северных населенных пунктов и проработки перспективных структур ВДК с целью повышения их экономичности, надежности, безопасности и снижения вредного воздействия на окружающую среду.

Значение для практики состоит в том, что разработанные алгоритм, методики, а также соответствующий программный комплекс позволяют на этапе проектирования производить исследование характеристик энергоэффективности ВДК при использовании ВЭУ в реальных автономных СЭС северных территорий.

Достоверность полученных результатов. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации подтверждаются приведенными теоретическими положениями, удовлетворительной сходимостью результатов, полученных другими авторами при решении аналогичных задач и опытом эксплуатации оборудования.

Использование результатов диссертации. Результаты диссертационной работы используются в Красноярском филиале ОАО «Электропроект», учебном процессе кафедры «Электрические станции и электроэнергетические системы» политехнического института Сибирского федерального университета в курсах «Основы надежности электроустановок», «Проектирование электростанций» и дипломном проектировании.

Личный вклад автора. Научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены автором. Общая научная идея, направления исследований были разработаны и реализованы при участии научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире», г. Красноярск, 2010 г.; XV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» г. Томск, 2009 г.; пятой Всероссийской конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», г. Благовещенск, 2008 г.; Всероссийской научно-технической

конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск, 2008, 2010 г.; I межвузовской научно-практической конференции «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы», г. Краснодар, 2010 г., а также на постоянно действующем научном семинаре кафедры «Электрические станции и электроэнергетические системы» СФУ, г. Красноярск.

По направлению исследования был выполнен проект на тему «Применение ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения северных потребителей Красноярского края» (конкурс молодежных научных проектов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», 2009 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 11 научных работах, из которых: 2 статьи в изданиях по перечню ВАК, 8 статей по материалам международного научно-технического конгресса и конференций, 1 статья в сборнике научных трудов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Основной текст содержит 121 страницу, включающую 34 рисунка, 34 таблицы, список использованных источников из 119 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы работы, излагается цель, задачи исследования, краткое содержание работы, указывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, отражены вопросы реализации и апробации полученных результатов.

Первый раздел посвящен анализу структуры и особенностям автономных СЭС, возможностей возобновляемой энергетики на территории Таймыра, обоснованию использования ветроэнергетики, обзору существующих методик определения выработки электроэнергии ВЭУ. Разработан алгоритм определения состава агрегатов ВДК (рис. 1.).

Определены основные потенциальные энергетические показатели использования ВЭУ в населенных пунктах, где установлены метеостанции (табл. 1). Произведена классификация прилегающих населенных пунктов по ВЭП и объемам потребления электроэнергии. Проведен анализ характеристик современных ВЭУ, определены области применимости различных ВЭУ в населенных пунктах Таймыра.

В качестве исходных данных, для определения выработки ВЭУ применяются гистограммы распределения скоростей ветра и кривые изменения мощности ВЭУ. При использовании аналитической функции распределения скоростей ветра математическое ожидание средней мощности ВЭУ имеет вид:

где Ду) - дифференциальная функция распределения скоростей ветра; Р(у) -функция изменения мощности ВЭУ от скорости ветра.

Анализ географических, климатических и социально-экономических характеристик территории Таймыра

/ / /

Анализ СЭС поселков и возможностей возобновляемой энергетики. Обоснование использования ветроэнергетики.

Исходные данные

Исходные данные

Выбор оптимального состава ВДК с достижением следующих частных критериев:

Оь Минимум приведенных затрат на сооружение ВДК.

02. Минимум расхода дизельного топлива на выработку электроэнергии.

03. Минимум себестоимости электроэнергии, вырабатываемой ВДК.

04. Минимальный срок окупаемости проекта.

05. Максимум удельной выработки

ВЭУ.

06. Минимум влияния на окружающую среду.

Анализ существующих методик выработки электроэнергии ВЭУ

Оценка надежности ВЭУ

Определение выработки ВЭУ с учетом надежности

■ г

Определение в учетом гра< ыработки ВЭУ с гака нагрузки

г

Определение технико-экономических показателей ВЭУ

Варианты состава ВДК для электроснабжения поселков Таймыра

Абсолютные и относительные показатели частных критериев по вариантам

Многофакторный эксперимент

Функция отклика

Оптимальный вариант состава ВДК систем электроснабжения поселков Таймыра

Рисунок 1 - Структурная схема алгоритма для определения состава ВДК

Таблица 1 - Ветроэнергетические характеристики местности в местах установки метеостанций

Среднегодовая Рул, Еул Валовый

Населенный пункт скорость ветра, Вт/м2 Дж/м2 потенциал,

м/с в год

МВт-ч/ год

Волочанка 3,9 124 1086,1 1363,8

Диксон 6,5 486 4257,9 5346,7

Хатанга 4,8 143 1252,9 3552,6

Остров Правды 5,1 323 2829,1 3973,4

Караул 5,6 108 3384 4581,2

Дудинка 5,4 96,8 3096 4329,8

Анализ существующих методик определения выработки электроэнергии показал, что они не учитывают недовыработку по причине отказов ВЭУ. В свою очередь, опыт эксплуатации ВЭУ в России показывает, что выработка электроэнергии на введенных в эксплуатацию ВЭУ, почти на треть меньше расчетной. Выражение (1) выбрано для дальнейшего исследования, т. к. позволяет учитывать особенности ветроэнергетического кадастра местности и технические характеристики ВЭУ.

Во втором разделе приведена аналитическая методика оценки надежности ВЭУ. Для определения параметров надежности ВЭУ, установку представляют в виде системы, состоящей из ряда последовательно соединенных в элементов. Отказ каждого из них может привести к утрате работоспособности всей ВЭУ.

Интенсивность отказов, коэффициент простоя и среднее время восстановления ВЭУ определяются по формулам:

= *вэу=г^> (2)

1.1 1.1 кюу

где X,, Кш - интенсивности отказов и плановых ремонтов элементов ВЭУ; г„ Тпл - продолжительности восстановления и плановых ремонтов элементов ВЭУ.

Для построения математической модели надежности ветропарка с учетом погодных условий используется аппарат Марковских процессов. Так, ветропарк, состоящий из двух ВЭУ в любой момент времени может находиться в одном из пяти состояний: Е0 - обе ВЭУ в работоспособном состоянии; Е\ - ВЭУ 1 в аварийном состоянии, ВЭУ 2 в работоспособном; Ег - ВЭУ 2 в аварийном состоянии, ВЭУ 1 в работоспособном; Ез - обе ВЭУ неработоспособны или остановлены; £4 - имеются условия для восстановления обеих ВЭУ.

Все возможные переходы в такой системе описываются графом, изображенным на рис. 2. Здесь X,, - интенсивность отказов ВЭУ (/ = 1,2); (I/ - интенсивность восстановлений ВЭУ (/' = 1,2); - интенсивность одновременного восстановления ВЭУ 1 и 2; а -коэффициент, характеризующий наличие ремонтного персонала и запасных узлов; Цо, ^о - соответственно, интенсивность нормальной и неблагоприятной погоды (по скорости ветра). Математическая модель такой системы представляет собой следующую систему дифференциальных уравнений первого порядка: ¿Ро(').

I- £ \4t-lvdt 1-1

Рисунок 2 - Граф состояний для парка ВЭУ с учетом погодных условий

Л

т) =

Л

.¡=1 ^ м

л

Л Л

Для решения систем дифференциальных уравнений, описывающих модели надежности ветропарков, разработана компьютерная программа, реализованная в среде МаШсас! 14. На рис. 3. показан характер изменения вероятностей состояний парка ВЭУ от времени.

Коэффициент готовности для ветропарка, состоящего из двух ВЭУ, будет определяться по формуле:

(3)

Выражение для расчета выработки электроэнергии за 1 год на основе формулы математического ожидания средней мощности ВЭУ (1) и с учетом коэффициента готовности ВЭУ (3) можно представить в виде:

¡Увэу = 8760- • РсрЮУ

Р, о. е. 1

0,8 0,6 0,4

0,2 0

0 10 20 г, лет

Рисунок 3 - Изменение вероятностей состояний отказа и работоспособности ВЭУ

Эффективность применения ВЭУ в автономных СЭС Таймыра главным образом характеризуется сроками окупаемости внедрения ВЭУ и дальнейшим уменьшением объемов завозимого дизельного топлива, что, в свою очередь, скажется на сокращении северных дотаций. Для определения эффективности внедрения ВЭУ в изолированные СЭС населенных пунктов Таймыра производился расчет основных технико-экономических показателей ВЭУ.

Величина приведенных затрат для ВЭУ:

ЗпрЮУ = £х*вэухЯвэу + (Н„ЮУ+Н„ртюу)хкюу х^вэу , (4)

где Е - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; Л837-удельные капиталовложения в ВЭУ; /у ЭУ - мощность ВЭУ; #амВЭУ, Нпро^эу -доля отчислений от капиталовложений на амортизацию и прочих эксплуатационных расходов для ВЭУ.

Себестоимость электроэнергии, выработанной ВЭУ, за весь ожидаемый срок службы:

■Э ВЭУ

рВЭУ _ пр_

ЦГВЭУ ш уВЭУ ' V•>)

где 7®эу - ожидаемый срок службы ВЭУ, лет.

Объем завозимого дизельного топлива в год при отсутствии ВЭУ:

У1 = Суд -IVе""

9

где Суд - средний удельный расход топлива ДЭС на выработку 1 кВт-ч электроэнергии; электроэнергия, потребленная автономной СЭС.

Требуемый объем топлива после подключения ВЭУ к СЭС определяется по выражению:

К=вул(МГ"'°1-Я'ВЭУ). (6)

Объем топлива, замещенный электроэнергией, выработанной ВЭУ:

Предполагая, что среднегодовое потребление электроэнергии изолированной СЭС не меняется, себестоимость электроэнергии, производимой ВДК, рассчитывается по формуле:

с_1УйэсхСдэс+1УвэуХСвэу

ЦТ'И" ' '

Экономическая эффективность выработки электроэнергии ВЭУ включает в себя цену сэкономленного топлива, а также стоимость хранения и перевозки топлива:

Эвэу = ДК(Цдт + Зш+Зхдг)

где Цдт - цена за 1 тонну дизельного топлива; Зтдт - затраты на транспортировку одной тонны топлива; Зхдт - затраты на хранение 1 тонны топлива.

Срок окупаемости ВЭУ:

о ВЭУ

грЮУ _ -Зпр /ОЛ

1 ■ ^

При выборе варианта исполнения ВЭУ и оптимизации состава агрегатов ВДК для автономной СЭС очень часто приходится принимать решение с учетом достижения различных, иногда противоречивых критериальных свойств (КС). При этом степень достижения каждого КС характеризуется количественно величиной соответствующего частного критерия эффективности (табл. 2).

Таблица 2 - Критериальные свойства, определяющие эффективность ВЭУ

Стоимость 1 кВт

установленной

мощности Экономические:

Количество

электроэнергии, выработанной ВЭУ за 1 год

Комплексный критерий эффективности ВЭУ Генератор Техническое Ветротурбина совершенство: Система управления, автоматики и защиты Надежность функционирования Система диагностики, технического обслуживания и ремонта Технологичность монтажных операций

Экологические

И

При решении такой многокритериальной задачи предлагается использовать эвристический метод, использующий обобщенный (комплексный) критерий эффективности Е , с помощью которого нормируют значения достигнутые по частным критериям. Обычно в качестве комплексного критерия эффективности используется одна из средневзвешенных:

Е;=Ы,(ху, е; = ШШ2-> £з'=П[/мЬ , (9)

где Дх) - значение переменной х по шкале /-го критерия; V, - весовой коэффициент (важность).

Многокритериальный подход означает оценку и выбор оптимального варианта технического решения одновременно по нескольким частным критериям. Комплексный критерий эффективности ВЭУ Е* определяется с использованием методов экспертных оценок на основе технико-экономических характеристик, представляемых производителями ВЭУ.

В третьем разделе рассмотрена методика определения состава и мощности ДЭС, в которой работает два и более ДГ. Так как при параллельной работе ДГ их мощности делятся пропорционально величинам нагрузки, расход дизельного топлива на протяжении одного часа на каждом режиме определяется по выражению:

О^а-Р^ + Р-Р, , (10)

где Л - нагрузка в 1-й промежуток времени; аир- постоянные для каждого сочетания работающих ДГ

Уд .Р У2 .р

¿^Окнои кном ¿^окаш Дном

а = Я'Т-гйг; Р = -,

[1РЧ

где Рьтом и gkяoк, - нагрузка и удельный расход топлива к-го ДГ в номинальном режиме; п - количество ДГ; я, Ь, с - коэффициенты аппроксимации КПД, полученные с помощью полинома четвертой степени.

Годовой расход топлива с заданным составом ДГ при заданном графике нагрузки определяется по выражению:

365 24

сдэс = Цед). (11)

1.1

Средний удельный расход топлива ДЭС:

Сдэс

=—• (12)

УД ^гсист 4

Расчет расхода дизельного топлива произведен с использованием программной среды Ма&са<114.

Средний коэффициент использования установленной мощности ВЭУ может варьироваться от 20% до 50% в зависимости от конструкции ВЭУ и

возможностей ВЭП региона. При сооружении ветропарка с установленной мощностью меньше минимума нагрузки потребителей, вытеснение топливной составляющей из энергобаланса СЭС будет незначительным, т. е. внедрение ВЭУ, как показывает опыт эксплуатации, будет малоэффективным. При установке ветропарка мощностью более минимума нагрузки, часть электроэнергии не будет израсходована в СЭС.

Выработка электроэнергии ветропарком с учетом надежности и графика нагрузки автономной СЭС, при суммарной мощности ВЭУ больше минимума нагрузки, определяется по формулам:

ЩВЭУ = 8760-ЛГг-

}/(у)-.Р(у)Л при РМ<Р,

о

]/(у)-Р(г)-рП0Лс/у приР(у)>Л

(13)

1Г2ЮУ = 8760 • Кг

}/(у)-Р(у)Л приР(у)<Р,вэу

¡/<У>Р(У)-Р»(Ь приР2ВЭУ>Р(у)>Л , (14)

»

|/(у)-Р(у)Л = 0 при Р(у)>Р2

где Р\ - величина минимума графика нагрузки поселка; Рг - величина максимума графика нагрузки поселка; рпол — вероятность использования мощности ВЭУ графиком нагрузки при Р^ЭУ>Р^)>Р\\ п - скорость ветра, при которой Р(у)>Рь т - максимальная рабочая скорость ВЭУ; к - скорость ветра, при которой Р(у)>Рг.

Согласно приведенной методике, произведен расчет количества потребленной и не потребленной электроэнергии в зависимости от установленной мощности парка ВЭУ модели «Радуга 1» в п. Диксон. Результаты расчетов представлены на рис. 4.

Удельная выработка ВЭУ на 1 кВт установленной мощности, с учетом графика нагрузки системы, определяется по выражению:

швзу швэу

Ы-п N-п

где N — мощность ВЭУ; п - количество ВЭУ в ветропарке.

IVI и Ш2 выбирается в зависимости от установленной мощности ветропарка по отношению к графику нагрузки (13), (14).

В процессе проектирования ВДК при выборе мощности и состава ВЭУ и ДЭС, приходится учитывать ряд независимых, а зачастую, неметрических КС (экологичность, удобство эксплуатации, степень автоматизации и т. д.).

Рассматриваются следующие КС, характерные для ВДК: О] минимум приведенных затрат на сооружение ВДК (4). О2 - минимум расхода дизельного топлива на выработку электроэнергии (6). 03 -минимум себестоимости электроэнергии, вырабатываемой системой ВЭУ-ДЭС (7). 04 - минимальный срок окупаемости проекта (8). 05 -максимум удельной выработки ВЭУ на 1 кВт установленной мощности (15). Об - минимум влияния на окружающую среду, который определяется экспертным путем как комплексный КС на основе анализа необходимых строительных работ, а также пропорционально объему вытесненного дизельного топлива (9).

Для определения важности КС на основе экспертных оценок использовался метод ранговой корреляции. Переход от рангов к числам осуществлялся на основе гипотезы о линейной зависимости между рангом и относительной важностью КС.

При поиске оптимального состава оборудования ВДК предлагается использовать метод многофакторного эксперимента, позволяющий учесть ряд независимых друг от друга факторов.

Факторы, подлежащие исследованию, обусловлены целью эксперимента. При проектировании состава генерирующего оборудования в населенных пунктах с различными графиками нагрузки и ветроэнергетическими кадастрами, состав факторов будет изменяться. Для данного эксперимента используются управляемые факторы: установленная мощность ДГ и ВЭУ различных моделей.

План факторного эксперимента при выборе состава генерирующего оборудования ВДК определяется дробной 1/8 репликой (табл. 3). В относительных единицах значения факторов +1 отвечают верхним уровням, а значения -1 отвечают нижним уровням мощности агрегатов. Нуль соответствует среднему уровню. Оценки эффективности вариантов определяются по данным экспертов на основе комплексного критерия эффективности (9) В и по уравнению регрессии в (16).

В математическом смысле целью многофакторных экспериментов является поиск экстремума функции отклика. Функция отклика представляется результатом ее разложения в ряд Тейлора, т. е. используется модель в виде полинома. Эмпирическое уравнение регрессии в линейной форме имеет вид:

В = Ь0+Ь1х1 + Ь2х2+...+Ь„х„, (16)

где коэффициенты Ь0 и определяются по формулам:

Рисунок 4 - Изменение потребленной и не потребленной электроэнергии от количества ВЭУ в ветропарке п. Диксон (ВЭУ «Радуга-

Коэффициенты уравнения регрессии соответствуют частным производным в точке, вокруг которой функция разлагается в ряд Тейлора. Проверка коэффициентов 6, на значимость производится по критерию Стьюдента, а проверка уравнения на адекватность осуществляется по критерию Фишера.

Таблица 3 - Дробная 1/8 реплика плана факторного эксперимента

Варианты Факторы В В

Х\ XI х4 Хъ Хб

1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 0,43 0,41

2 +1 -1 -1 -1 -1 +1 0,89 0,70

3 -1 +1 -1 -1 +1 -1 0,89 0,92

4 +1 +1 -1 + 1 -1 -1 0,72 0,69

5 -1 -1 +1 + 1 -1 -1 0,46 0,48

6 +1 -1 + 1 -1 + 1 -1 0,86 0,84

7 -1 + 1 +1 -1 -1 + 1 0,89 0,86

8 +1 +1 +1 +1 +1 +1 0,46 0,49

Уровни факторов: верхний нижний 4800 1600 2000 0 1512 504 6000 0 6000 0 5950 0

По условию линейности зависимости В их максимум функции В будет иметь место при таком сочетании граничных значений параметров х, при котором все члены уравнения регрессии положительны, а незначимые равны нулю. Дальнейшее продвижение к оптимуму по методу Бокса-Уилсона производится с опыта варьирования, где средние уровни х равны полученным промежуточным оптимальным.

В результате решения уравнения регрессии формируется оптимальный состав ВДК, определяющий достижение максимальных значений КС 01-06 в соответствии с их оценками важности.

В четвертом разделе выполнено исследование надежности ряда ВЭУ отечественного и зарубежного производства одного класса мощности. Суммарная интенсивность отказов для зарубежных ВЭУ составляет ХВэу =1,89 1/год, а для ВЭУ модели «Радуга-1» по данным завода-изготовителя - 1вэу =4,4 1/год. Среднее время восстановления для рассматриваемых ВЭУ твэу = 87 ч.

Значения коэффициентов готовности для ветропарков, состоящих из ВЭУ разных моделей, приведены в табл. 4. При расчетах учитывались показатели надежности ВЭУ и особенности ветроэнергетического кадастра.

Результаты расчетов выработки электроэнергии ВЭУ и потребления ее для п. Диксон (зимний максимум нагрузки населенного пункта Ртах=5900 кВт) представлены в табл. 5.

Таблица 4 - Значения коэффициента готовности для ветропарков в районах с разным ветроэнергетическим кадастром

Кол-во ВЭУ пос. Диксон пос. Хатанга пос. Волочанка Остров правды

Радуга-1 ТГ-750 Vestas V52 Радуга-1 ТГ-750 Vestas V52 Радуга-1 ТГ-750 i Vestas V52 | Радуга-1 ТГ-750 Vestas V52

2 0,47 0,51 0,59 0,36 0,41 0,49 0,31 0,31 0,38 0,38 0,39 0,47

3 0,53 0,55 0,63 0,45 0,46 0,56 0,42 0,39 0,49 0,47 0,45 0,54

4 0,6 0,6 0,69 0,54 0,53 0,63 0,51 0,47 0,58 0,55 0,52 0,63

5 0,66 0,66 0,74 0,61 0,6 0,69 0,59 0,54 0,65 0,62 0,58 0,68

6 0,71 0,70 0,79 0,68 0,65 0,75 0,65 0,61 0,71 0,67 0,65 0,74

7 0,75 0,74 0,82 0,72 0,70 0,79 0,7 0,66 0,76 0,72 0,69 0,78

8 0,79 0,78 0,85 0,76 0,74 0,82 0,74 0,71 0,79 0,76 0,73 0,82

9 0,81 0,81 0,87 0,797 0,77 0,85 0,78 0,74 0,83 0,79 0,76 0,84

10 0,84 0,83 0,89 0,81 0,8 0,87 0,80 0,77 0,85 0,82 0,79 0,86

Таблица 5 - Результаты расчетов выработки электроэнергии для ВЭУ «Радуга-1»

Кол-во ВЭУ Выработка в год, кВт-ч Удельная выработка, кВт-ч/кВт Потребленная э/э в год, МВт-ч Себестоимость электроэнергии от ВЭУ, руб./кВгч

2 2 043 531 1021,77 2043,53 2,60

3 3 450 089 1104,35 3313,04 2,41

4 5 182 743 1146,28 4585,13 2,32

5 7 141 489 1186,63 5933,16 2,24

6 9 248 065 1222,01 7332,08 2,18

7 11 443 774 1218,81 8531,66 2,18

8 13 669 918 1176,49 9411,94 2,26

9 15 926 498 1153,97 10385,71 2,30

10 18 196 122 1133,57 11335,68 2,35

Свэу, руб./кВт-ч

На рис. 5 показаны зависимости изменения себестоимости электроэнергии от количества ВЭУ, установленных в п. Диксон.

Для исследуемых северных населенных пунктов предложены варианты построения ВДК с использованием наиболее перспективных типов ДГ и ВЭУ. Оптимизация технических решений по составу и мощности ДГ и ВЭУ выполнялась методами фактор-

2,5 2

1,5 1

0,5

. ___,___. _ п,

2 3 4 5 б 7 8 9 10 шт.

Количество ВЭУ

Рисунок 5 - Зависимость изменения себестоимости электроэнергии от количества ВЭУ в условиях п. Диксон

ного эксперимента и экспертных оценок.

Для многофакторного эксперимента использовалось 6 управляемых факторов (представленные факторы рекомендованы для СЭС п. Диксон): Xi установленная мощность дизельных генераторов 1600 кВт (VP2000CU); х2 -установленная мощность дизельных генераторов 1000 кВт (VP1250P); х3 -установленная мощность дизельных генераторов 504 кВт (VP630P); xt - установленная мощность ВЭУ 1000 кВт (Радуга-1); xs - установленная мощность ВЭУ 750 кВт (ТГ-750); х6 - установленная мощность ВЭУ 850 кВт (Vestas V52).

Согласно предложенной методике план факторного эксперимента для шести факторов определяется дробной 1/8 репликой, (табл. 3), где приведены оценки эффективности В, определенные по (9) и В - вычисленные по уравнению регрессии (16).

Для состава ВДК в п. Диксон получено уравнение регрессии:

В = 0,7 + 0,0334*, + 0,04.х2 - 0,0313х3 - 0,1818jc4 - 0,0374х5 - 0,0332*6

После проверки коэффициентов на значимость по критерию Фишера незначимые факторы принимаются равными нулю. Уравнение регрессии будет иметь вид:

В = 0,7 + 0,04х, + 0,181 8Х4 - 0,0374*,

Абсолютные показатели КС по вариантам состава ВДК представлены в табл. 6.

Таблица 6 - Абсолютные показатели КС по вариантам состава ВДК

Вар- Критериальные свойства

иант О,, о2> Оз, о4, Oj, Об,

руб. л. руб лет кВт-ч o.e.

кВт-ч кВт

1 1 404 878 706,00 20 935 308,27 23,19 5,08 1648,67 0,00

2 669 282 126,00 5 682 464,56 6,50 9,14 1878,04 0,78

3 604 983 348,00 6 905 932,86 7,79 6,72 1881,33 0,61

4 667 386 768,00 7 178 864,33 8,23 11,08 1222,01 0,56

5 509 362 698,00 32 087 348,15 35,53 1,87 1222,01 0,31

6 683 486 118,00 6 334 969,91 7,27 8,32 1881,33 0,62

7 659 087340,00 7014 717,02 7,97 7,29 1878,04 0,76

8 1 631 210 760,00 6 552 479,60 7,59 19,01 1648,67 0,23

Варьирование состава оборудования ВДК п. Диксон показывает, что функция В = 0,96 достигает своего максимального значения при следующих значениях факторов х и составу оборудования: *i=0 (мощность дизельных генераторов «VP2000CU» 3600 кВт); хг=\ (мощность дизельных генераторов «VP1250P» 2000 кВт); *3=0 (мощность дизельных генераторов «VP630P» 1008 кВт); *4= -1 (мощности ВЭУ «Радуга-1» 0 кВт); *5= -1 (мощность ВЭУ «ТГ-750» 0 кВт); *6=0 (мощность ВЭУ «Vestas V52» 3400 кВт).

Установленная мощность ДЭС ^„=6608 кВт. Это больше максимума нагрузки (5900 кВт) на 10,7%, что позволяет во время максимального потребления эксплуатировать ДЭС в режиме, близком к номинальному, не переходя в максимальный режим. Установленная мощность ВЭУ (3400 кВт) превышает минимум нагрузки (2600 кВт), но меньше максимума нагрузки.

Таблица 7 - Состав ВДК для СЭС поселков Таймыра

№п/п Поселок Состав ДЭС Состав ВЭУ

1 Диксон 3 ДГ УР2000Си 1 ДГУРЮООР 1 ДГ УР640Р 4 ВЭУ ТГ-750

2 Хатанга 4 ДГ \Ф2000Си 3 ДГУРЮООР 2 ДГУР640Р 5 ВЭУ Уеэ^ У52

3 Воронцово 1 ДГЗЮОООЕО 1 ДГ НООООЕО 1 ДГ 85000ЕБ 2 ВЭУ \Ут<№ог1с1150

4 Волочанка 1 ДГ ИООООЕО 1 ДГ 85000ЕЕ> 1 ДГ 40000ЕБ 1 ВЭУ Утс^е! 130

Результаты выбора состава оборудования ВДК для ряда населенных пунктов Таймыра приведены в табл. 7. Показатели экономической эффективности при использовании ВЭУ представлены в табл. 8.

Таблица 8 - Показатели экономической эффективности внедрения ВЭУ

№ Поселок Приведенные Объем вытес- Себестоимость Срок окупае-

затраты, руб. ненного ди- электроэнергии мости ВЭУ,

зельного топ- системы лет

лива, л/год ВЭУ-ДЭС

руб./кВт-ч

1 Диксон 497 652 054 1 509 934,89 5,07 3,28

2 Хатанга 460 101 397,5 693 807,40 7,49 12,16

3 Воронцово 41 660 325 112 268,16 4,88 6,68

4 Волочанка 23 869 125 14 381,89 8,53 25,07

Предполагается, что при текущем объеме завоза дизельного топлива в 15,3 тыс. тонн, после внедрения ВЭУ завозимый объем топлива будет составлять около 13 тыс. тонн, что даст значимый экономический и экологический эффект.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ структуры и состояния автономных СЭС на территории Таймыра позволил определить, что существующие СЭС с применением ДГ ха-

растеризуются низкими показателями энергоэффективности и не удовлетворяют экологическим требованиям.

2. Исследование ВЭП в населенных пунктах Таймыра показало, что ветроэнергетика является наиболее перспективным направлением развития возобновляемой энергетики на данной территории.

3. Определены объемы возможной выработки электроэнергии ВЭУ в населенных пунктах Таймыра на основе разработанной математической модели, учитывающей надежность ВЭУ и погодные условия.

4. Исследована зависимость изменения себестоимости электроэнергии, производимой ВДК от количества ВЭУ в ветропарке. Предложена методика определения себестоимости электроэнергии от ВЭУ с учетом надежности ВЭУ и графика нагрузки системы.

5. Разработана методика выбора состава агрегатов ВДК на основе использования метода факторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений, которая позволяет в условиях неопределенности исходной информации провести оптимизацию состава и мощности ВЭУ и ДЭС для автономной СЭС с учетом технико-экономических характеристик оборудования и графика нагрузки потребителей.

6. На основе выполненных исследований сформулированы условия внедрения и показана экономическая эффективность первоочередного внедрения ВЭУ в 4-х населенных пунктах Таймыра. Согласно проведенным экономическим оценкам, прогнозируемый экономический эффект по отдельным критериям составляет:

- объем экономии дизельного топлива 2,3 тыс. тонн в год;

- объем экономии затрат на закупку, транспортировку и хранение топлива около 50 млн. руб. в год;

- диапазон ожидаемого срока окупаемости от 3,3 до 25 лет (в зависимости от места расположения).

Список публикаций по теме диссертации:

Статьи в изданиях по перечню ВАК:

1. Бобров A.B. Модель надежности парка ветроэлектрических установок с учетом погодных условий / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - №9-10/1 - 2008. - С. 36-42.

2. Бобров A.B. Энергоснабжение изолированных потребителей северных районов Красноярского края на базе возобновляемых источников энергии / A.B. Бобров, В.А. Тремясов, Д.А. Чернышев // Инновации. - №3 - 2009. - С. 74-77.

Публикации в прочих изданиях:

3. Бобров A.B. Оптимизация состава агрегатов ветродизельного комплекса в системе автономного электроснабжения / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного ис-

пользования: материалы всероссийской научно-технической конференции / Национальный исследовательский томский политехнический университет. -Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - С. 88-90.

4. Бобров A.B. Анализ надежности ветроустановок для автономного электроснабжения / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: материалы всероссийской научно-технической конференции, Томск: изд-во ТПУ, 2008. - С. 112-113.

5. Бобров A.B. Определение ветроэнергетического потенциала Таймыра / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: материалы всероссийской научно-технической конференции, Томск: изд-во ТПУ, 2008. - с. 113-114.

6. Бобров A.B. Оценка надежности и эффективности ветроэнергетических установок в децентрализованных системах электроснабжения / A.B. Бобров, В.А. Тремясов, Д.А. Чернышев //Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Сборник трудов пятой всероссийской конференции с международным участием. Благовещенск: издательство Амурского государственного университета, 2008. - С. 217-221.

7. Бобров A.B. Об использовании ветроэнергетических ресурсов для выработки электрической энергии на Таймыре / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Сборник трудов пятой всероссийской конференции с международным участием. Благовещенск: издательство Амурского государственного университета, 2008. - С. 346-348.

8. Бобров A.B. Применение ветроэнергетических установок в условиях Крайнего севера Красноярского края / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. -Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008. - С. 209-213.

9. Бобров A.B. Сравнение мощности, вырабатываемой ВЭС, с графиком нагрузки / A.B. Бобров// XV международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» / сборник трудов в 3-х томах. Т.1. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - С. 18-20.

10. Бобров A.B. Перспективы использования ветроэнергетических установок в системах автономного электроснабжения северных территорий Красноярского края / A.B. Бобров, В.А. Тремясов / Энергетика в глобальном мире: сб. тезисов докладов первого международного научно-технического конгресса. - Красноярск, 2010. - С. 142-143.

11. Бобров A.B. Определение выработки ВЭУ с учетом графика нагрузки изолированной энергосистемы / A.B. Бобров, В.А. Тремясов // Материалы I межвузовской научно-практической конференции «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы» - Краснодар, 2010.-С. 9-13.

Подписано в печать 19.10.2010 Формат 60x84/16. Уч-изд. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ №2710

Отпечатано:

Полиграфический центр БИК Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕВЕРНЫХ РАЙОНОВ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

1.1. Структура и особенности систем электроснабжения потребителей-Таймыра.

1.2. Перспективы применения возобновляемых источников энергии для электроснабжения изолированных потребителей.

1.3. Исследование ветроэнергетического потенциала районов Таймыра.

1.4. Классификации современных ВЭУ и рекомендации по их применению.

1.5. Методики определения выработки электроэнергии ВЭУ.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

2.1. Аналитический метод оценки надежности ВЭУ.

2.2. Математическая модель надежности ветропарка с учетом погодных условий.

2.3. Математические модели технико-экономических характеристик ВЭУ.

2.4. Комплексная оценка эффективности ВЭУ.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ СТУКТУРЫ ВДК В СОСТАВЕ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

3.1. Методика определения состава и мощности ДЭС.

3.2. Определение выработки электроэнергии ВЭУ с учетом графика нагрузки.

3.3. Многокритериальный анализ технических решений ветродизельных энергокомплексов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТАЙМЫРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

4.1. Оценка показателей надежности отдельных ВЭУ и ветропарков.

4.2. Определение объемов выработки и себестоимости электроэнергии от ВЭУ в населенных пунктах Таймыра.

4.3. Разработки вариантов структуры ВДК.

Выводы по главе 4.

Оптимальное использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) имеет большое значение при проведении региональной) энергетической- политики. Проблема энергетической безопасности (надежности электроснабжения), насущная для многих стран, трансформируется в энергобезопасность субъектов РФ, особенно тех, что расположены в труднодоступных районах с автономным электроснабжением.

Расходы на годовую* закупку и доставку дизельного топлива для дизельных электростанций (ДЭС) в ряде случаев превышают 60% затрат на всю выработанную ими электроэнергию и постоянно растут. При замещении, на ДЭС дизельного топлива, электроэнергией, выработанной* на I ветроэнергетических установках (ВЭУ), затраты на топливо существенно снижаются. В конечном счете, уже через несколько лет можно начать экономию денежных средств, которые ежегодно тратятся на закупку и завоз дорогостоящего дизельного топлива в удаленные населенные пункты, находящиеся в зоне децентрализованного электроснабжения?

Развитие возобновляемых источников энергии и ветроэнергетики в частности, является перспективным направлением развития энергетических отраслей и активно поддерживается правительством РФ [117].

Степень разработанности проблемы.

Проблемами ветроэнергетики занимаются известные ученые и специалисты Иванова И.Ю., Колодин М.В., Галкин М.П;, Горин А.Н., Новожилов М.А., Радионова Ю.А., Безруких П.П., Гайтов Б.Х., Соломин C.B. и др. Вопросы функционирования ВЭУ с другими энергетическими*? установками, а также вопросы экономических аспектов применения. ВЭУ нашли отражение в работах Марченко О.В., Соломина C.B., Копылова А.Е., Абдрахманова P.C., Якимова A.B., Назмеева Ю.Г., Макаровского С.Н. и др.

Анализ работ вышеперечисленных авторов позволяет определить подход к разработке и обоснованию методов определения выработки электроэнергии ВЭУ с учетом надежности и погодных условий; а также оптимизации состава ВЭУ-ДЭС при реконструкции автономных энергосистем. •

Целью диссертационной ¡ работы является исследование автономньк систем; электроснабжения . с: применением- ветродизельных комплексов и разработка рекомендаций по повышению их энергоэффективности; на примере северных населенных пунктов Таймыра.

Задачи исследования:

1. Провести анализ структуры электроснабжения децентрализованных зон Таймыра и обосновать необходимость применения ВДК.

2., Исследовать, ветроэнергетический потенциал населенных пунктов Таймыра в целях производства электроэнергии.

3. На основе теории Марковских процессов разработать математическую модель для оценки выработки электроэнергии ВЭУ с,учетом надежности и изменения погодных условий;

4. Предложить варианты построения ВДК в существующих децентрализованных СЭС региона.

5. Разработать методику выбора оптимального состава агрегатов ВДК в процессе проектирования на основе факторного эксперимента и-комплексного критерия эффективности технических решений;

6.Сформулировать предложения по коррекции топливно-энергетического баланса, автономных СЭС населенных пунктов Таймыра! путем использования- ветроэнергетического потенциала (ВЭП) местности;

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования отечественных и зарубежных ученых, нормативные документы, материалы научно-практических конференций, . периодические издания;; данные производителей ветроустановок, статистические: данные всемирного архива погоды.

В процессе исследования использовались принципы системного анализа, положения, теории вероятностей, теории надежности, метод Марковских процессов, методы статистического и экономического анализа, методы) поиска оптимального варианта решения (экстремального факторного эксперимента).

Актуальность работы. Вовлечение ВЭУ в энергетический баланс Севера Красноярского края с целью повышения надежности электроснабжения и энергосбережения путем вытеснения привозного органического топлива из энергетического баланса автономной системы электроснабжения.

Объект исследования — автономные системы электроснабжения (СЭС) северных населенных пунктов с применением ВЭУ с учетом технических, климатических, экономических условий и характеристик ветроэнергетического потенциала (ВЭП) территории.

Предмет исследования - условия функционирования и энергоэффективность автономных СЭС в населенных пунктах на территории Таймыра с использованием» ВДК.

Методы исследования: метод Марковских процессов, метод экстремального факторного эксперимента, методы математической статистики и теории вероятности, методы системного анализа, оценки экономической эффективности.

Научная новизна:

1. Выявлены районы и населенные пункты Таймыра, перспективные по ВЭП для внедрения ВЭУ в энергобаланс автономных СЭС.

2. Построена математическая модель для определения* объема выработки электроэнергии ВЭУ, отличающаяся учетом надежности оборудования и погодных условий.

3. Разработана методика выбора оптимального состава оборудования ВДК в условиях неопределенности исходной информации на основе метода многофакторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Анализ ВЭП в населенных пунктах Таймыра, заключающийся в оценке среднегодовой удельной энергии ветра, удельной мощности и валового потенциала электроэнергии в год.

2. Математическая модель для оценки выработки электроэнергии ВЭУ с применением аппарата Марковских процессов, учитывающая надежность и изменение погодных условий в процессе эксплуатации.

3. Методика выбора оптимального состава агрегатов ВДК в условиях неопределенности исходной информации с использованием многофакторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений.

4. Основные направления реконструкции автономных СЭС Таймыра с применением ВДК, обеспечивающих повышение энергоэффективности электроснабжения потребителей.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные алгоритм, методики, а также соответствующий программный комплекс позволяют на этапе проектирования производить исследование характеристик энергоэффективности ВДК при использовании ВЭУ в реальных автономных СЭС северных территорий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире», г. Красноярск, 2010 г.; XV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» г. Томск, 2009 г.; пятой Всероссийской конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», г. Благовещенск, 2008 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск, 2008, 2010 г.; I межвузовской научно-практической конференции «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы», г. Краснодар, 2010 г., а также постоянно действующем научном семинаре кафедры «Электрические станции и электроэнергетические системы» СФУ, г. Красноярск, 2008-2010 г.

По направлению исследования был выполнен проект на тему «Применение ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения северных потребителей Красноярского края» (конкурс молодежных научных проектов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», 2009 г.).

По направлению исследования был выполнен проект на тему «Применение ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения северных потребителей Красноярского края» (конкурс молодежных научных проектов ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», 2009 г.).

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (123 наименования) и четырех приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ структуры и состояния автономных СЭС на территории* Таймыра показал, что существующие СЭС с применением ДГ характеризуются низкими показателями энергоэффективности и не удовлетворяют экологическим требованиям.

2. Исследование ВЭП в населенных пунктах Таймыра показало, что ветроэнергетика является наиболее перспективным направлением развития возобновляемой энергетики на данной территории.

3. Определены объемы»возможной выработки электроэнергии ВЭУ в населенных пунктах Таймыра на основе разработанной математической, модели, учитывающей надежность ВЭУ и погодные условия.

4. Исследована зависимость изменения себестоимости электроэнергии, производимой ВДК от количества ВЭУ в ветропарке. Предложена методика определения себестоимости электроэнергии от ВЭУ с учетом надежности ВЭУ и графика нагрузки системы.

5. Разработана методика- выбора состава агрегатов ВДК на основе использования метода факторного эксперимента и комплексного критерия эффективности технических решений, которая позволяет в условиях неопределенности исходной информации провести оптимизацию состава и мощности ВЭУ и ДЭС для автономной- СЭС с учетом технико-экономических характеристик оборудования и графика нагрузки потребителей.

6. На1 основе выполненных исследований сформулированы условия и« показана экономическая эффективность первоочередного внедрения ВЭУ в 4-х населенных пунктах Таймыра. Согласно проведенным экономическим оценкам, прогнозируемый экономический эффект по отдельным критериям составляет:

- объем экономии дизельного топлива: 2,3 тыс. тонн в год;

- объем экономии затрат на закупку, транспортировку и хранение топлива: около 50 млн. руб. в год;

- срок окупаемости: от 3,3 лет (в зависимости от места расположения).

1. Абдрахманов Р. С. Ветроэнергетические установки и станции: Учеб. пособие. / P.C. Абдрахманов, А. В. Якимов, Ю. Г. Назмеев // Казань: Казан, гос. энерг. ун-т 2003. - 65 с.

2. Абдрахманов Р. С. Использование энергии ветра для выработки электроэнергии в Татарстане / Р. С. Абдрахманов, Ю. Г. Назмеев // Известия академии наук. Энергетика. 1998. - №4 - С. 103-109.

3. Абдрахманов Р. С. Об эффективности использования ветроэнергетических ресурсов для выработки электроэнергии в Магаданской области и на дальнем востоке / Р. С. Абдрахманов, А. В. Якимов // Известия вузов. Проблемы энергетики 1999. - № 9-10 -С. 101-106.

4. Абдрахманов Р. С. Об эффективности использования ветроэнергетики в регионах Российской Федерации с умеренными скоростями ветра/ Р. С. Абдрахманов, Ю. Г. Назмеев, А. В. Якимов // Известия академии наук. Энергетика. 2001. - №5 - С. 93-101.

5. Абдрахманов Р. С. Эффективность крупных ветроэлектрических генерирующих комплексов в условиях Дальнего Востока / Р. С. Абдрахманов, А. В. Якимов, Ю. Г. Назмеев // Электрика 2004. - №5 - С. 25-27.

6. Абельдаев А. Р. Анализ эффективности применения ветроэнергетических установок по районам Астраханской области / А.

7. Р. Абельдаев, В. А. Беляева; Д. В. Жаворонков, Р. А. Зайнутдинов // Электрика 2007 - №7 - С. 26-29.

8. АдлерЮ. П.!Планирование: эксперимента при поиске .оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский- // М., «Наука»,1976-279^е. •

9. Азгальдов, Г. Г. О квалиметрии / Г. Г. Азгальдов, Э. I I. Райхман. // М.: Издательство стандартов, 1973. -232 с.

10. Ю.Алан Р. Оценка надежности электроэнергетических систем / Р. Алан Р. Биллингон//М.: Энергоатомиздат, 1988-288 с.

11. Алексеев Б: А. Возобновляемые: источники энергии: разнообразие технических решений: / Б. А. Алексеев // Электрические станции — 2005.-№2.-С. 93-97.

12. Алексеев Б. А. Об эффективности: ветрогенераторов в электроэнергетике Германии / Б. А. Алексеев // Энергетик. 2004'.№6.-с.31. ' . ' ,'• ' .

13. Алисов Б. П, Климат СССР / Б.П. Алисов // М., 1956.

14. Анисимов А. М. Когенерационные автономные , ветроустановки с теплоаккумуляторами / А. М. Анисимов, О. С. Попель // Академия;, энергетики; 2009. - №1 - С. 36-43 .

15. Аполлонов Ю. Е. О комплексном использовании нетрадиционных возобновляемых: источников энергии, / Ю. Е. Аполлонов; Н.В. Миклашевич // Энергетика и строительство 1994. - №4 - С. 15-18.

16. Афанасьев И. П. Опыт монтажа и эксплуатации: ветроэнергетических установок / И: 11. Афанасьев, А. В. Озеров, В. Ю. Щаулов, II Электрические станции 2004. - №12. - С. 40-43.

17. Баринов В. А. Перспективы развития электроэнергетики России в период до 2030 г. / В. А. Баринов, Э; П. Волков // Известия академии наук. Энергетика. 2008. - №Г. - С. 18-32.

18. Безруких П. ГЪ Возобновляемая энергетика: вчера, сегодня, завтра / П. П. Безруких // Электрические станции. 2005. - №2. - С. 35-47.

19. Безруких П. П. Возобновляемые источники энергии и надежность электроснабжения / П. П. Безруких // Энергоэксперт. 2008. - №3. -С.86-90.

20. Безруких П. П. О роли ВИЭ в энергобалансах мира и России в XXI веке / П. П. Безруких // Академия энергетики. 2008. - №4 - С. 22-26.

21. Безруких П. П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П. П. Безруких, Ю. Д. Арбузов, Г. А. Борисов, В. И. Виссарионов и др. // СПб.: Наука, 2002 г. -314 с.

22. Белей В. Ф. Современная ветроэнергетика: тенденции развития, проблемы и некоторые пути их решения / В. Ф. Белей, А. Ю. Никишин // Электрика 2006 - №8. - С. 18-22.

23. Березнев Ю. И. Многокритериальный выбор параметров элементов сельских электрических сетей в условиях неопределенности / Ю. И. Березнев // Проблемы энергетики 2007. - №11-12 - С. 34-41.

24. Березнев Ю. И. Выбор элементов сельских электрических сетей в условиях неопределенности / Ю. И. Березнев // Электричество. 2008. - №2. - С. 23-32.

25. Бешелев, С. Д. Математико-статистические методы экспертных оценок / С. Д. Бешелев, Ф. Г. Гурвич. // М.: Статистика, 1974. 159 с.

26. Бобров А. В. Модель надежности парка ветроэлектрических установок с учетом погодных условий / А. В. Бобров, В. А. Тремясов // Известия вузов. Проблемы энергетики №9-10/1 - 2008 - С. 36-42.

27. Бобров А. В. Определение ветроэнергетического потенциала Таймыра /

28. A. В. Бобров, В. А. Тремясов // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: материалы всероссийской научно-технической конференции. Томск: изд-во ТПУ, 2008. -с. 113-114.

29. О.Бобров А. В. Оптимизация состава агрегатов ветродизельного комплекса в системе автономного электроснабжения / А. В. Бобров,

30. Бобров А. В. Энергоснабжение изолированных потребителей северных районов Красноярского края на базе возобновляемых источников энергии / A.B. Бобров, В. А. Тремясов, Д. А. Чернышев // Инновации -№3-2009-С. 74-77.

31. Бреусов В. П. Обоснование комбинированных энергосистем, работающих на энергии возобновляемых источников / В. П. Бреусов, В. В. Елистратов // Известия академии наук. Энергетика. 2002. - №6 - С. 36-41.

32. Васильев В. Г. Ресурсы Орловской области с точки зрения использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии / В. Г. Васильев, A.B. Виноградов // Электрика 2006 - №5 - С. 39-42.

33. Волков Э. П. Перспективы развития электроэнергетики России в период до 2030 г. / Э. П. Волков, В. А. Баринов // Известия академии наук. Энергетика. 2008. - №1. - С. 18-32.

34. Гагач Д. К. Первая ветродизельная электростанция на Таймыре / Д. К. Гагач, В. К. Мальцев, И. Ю. Костюков, В.А. и др. // Энергетик 2000. - №4 - С. 10-12.

35. Галкин М. П. Выбор функциональных схем автономных ВЭУ малой мощности / М. П. Галкин, А. Н. Горин // Энергетика и строительство. -1995.-№3-С. 41-44.

36. Галкин М. П. Выходные электрические параметры ветроэнергетических установок малой мощности/ М. П. Галкин, А. Н. Горин // Энергетика и строительство 1994. — №5 - С. 62-64.

37. Галкин М. П. Определение энергоемкости ветроэнергетических установок / Галкин М. П. // Энергетика и строительство 1994 - №1 -С. 33-35.

38. Гринкруг Я. С. Управление режимами работы дизельных электростанций в автономных сетях электроснабжения: Автореф. дис. канд. техн. наук — М., 2007 21 с.

39. Гук Ю. Б. Комплексный анализ эффективности технических решений в энергетике / Ю. Б. Гук, П. И. Долгов, В. Р. Окороков и др. // ред. В. Р. Окороков и Д. С. Щавелев. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.-176 с '

40. Гук Ю. Б. Основы выбора оптимальных решений / Д. С. Щавелев, Ю. Б. Гук, М. П. Федоров, М. В, Семенов и др. // Политехнический институт имени М.И. Калинина, 1977 г. 83 с.

41. Гук Ю. Б. Оценка надежности электроустановок. / Ю. Б. Гую, Э. А. Лосев, А. В. Мясников // М., «Энергия», 1974 С. 174-188.

42. Данченко А. М. Кадастр возможностей / А. М. Данченко, Г. О. Заде, А. А. Земцов, Л.И. Инишева и др. // Томск: Изд-во НТЛ, 2002. 280 с.

43. Димитриев Г. С. Опыт монтажа и первого года эксплуатации сетевой ветроэнергетической установки около г. Мурманска / В. А. Минин, Г.С. // Электрические станции. 2004. - №2 - С. 71-73.

44. Дьяков А. Ф. Нетрадиционная энергетика в России: проблемы и перспективы / А. Ф; Дьяков // Энергетик. 2002. - №8. - С. 4-10.

45. Дьяков А. Ф. Состояние и перспективы развития нетрадиционной энергетики в России / А. Ф. Дьяков // Известия академии наук. Энергетика 2002. - № 4. - С. 13-28.

46. Елизаров А. И. Применение метода Марковских графов в задачах распределения требований к надежности / А. И. Елизаров, В. В. Таратунин // Известия академии наук. Энергетика. 1999. - №4.

47. Ермолин Н. П. Надежность электрических машин / Н. П. Ермолин, И.П. Жерихин // Л., Энергия 1976 г. - 248 с.

48. Есьман В. И. Проблемы современной ветроэнергетики / В. И. Есьман, Г. В. Есьман // Тяжелое машиностроение 2001. - №1 - С. 20-23.

49. Жарков С. В. Использование энергии ветра на энергоустановках с газовыми турбинами / С. В. Жарков // Известия академии наук. Энергетика. 2003. - №5 - С. 131-135.

50. Иванова И. Ю. Малая энергетика севера: проблемы и пути развития / И. Ю. Иванова, Т. Ф. Тугузова, С. П. Попов, Н. А. Петров -Новосибирск: Наука, 2002. 188 с.

51. Иванова И. Ю. Эффективность и масштабы использования возобновляемых источников энергии для изолированных потребителей / И. Ю. Иванова, С. П. Попов, Т. Ф. Тугузова // Известия академии наук. Энергетика. 2006. - №3 - С. 110-114.

52. Интернет-энциклопедия. Электронный ресурс. режим доступа: http://ru.wikipedia.org/ - Загл. с экрана.

53. Кабаков В. И. Ресурсы ветроэнергетики мира / В. И. Кабаков, Э. М. Перминов, // Энергетик, 2009 №8 - С.13-16.

54. Киушкина В. Р. Автономный электротехнический комплекс с ветроэлектростанциями для малой энергетики Якутии / В. Р. Киушкина, Б. В. Лукутин // Электрика 2007 - №3 - С. 19-25.

55. Киушкина В. Р. Децентрализованное электроснабжение районов Якутии с использованием энергии ветра. Автореф. дис. канд. техн. наук Томск, 2005 - 23 с.

56. Кобелев А. В. Повышение эффективности систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Автореф. дис. канд. техн. наук Липецк, 2004 - 13 с.

57. Копылов А. Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России / А. Е. Копылов // Энергетик, 2008 №1 - С.7-10.

58. Куликова Л. В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие / Л. В. Куликова, Ю. А. Меновщиков. Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова, Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2005. - 365 с.

59. Лабунец И. А., Системы генерирования ветроэлектрических установок большой мощности / И.А. Лабунец, Т.В. Плотникова, Ю.Г. Шакарян, Б.З. Дробкин, Э.М. Перминов // Энергетик 2000. - №4 - С. 11-13.

60. Лайзерович А. Ш. Время большой ветроэнергетики / А. Ш. Лайзерович // Электрические станции. 2003. - №1. - С. 74-77.

61. Лещинская Т. Б. Применение методов многокритериального выбора при оптимизации систем электроснабжения сельских районов / Лещинская Т. Б. // Электричество, 2003 №1 - С. 14-22.

62. Лукутин Б. В. Энергоэффективность автономных ветродизельных энергетических комплексов / Лукутин Б. В., Парников Н. М. // Электрика 2007 - №9 - С. 19-23.

63. Макаровский С. Н. Выбор мощности комплекса ветроэлектростанция -электрокотельная / Макаровский С. Н. // Известия академии наук. Энергетика 2001. - №2 - С. 104-113.

64. Манов Н. А. Современные проблемы надежности систем энергетики: модели, рыночные отношения, управление реконструкцией и развитием / Н. А. Манов, Е. В. Сеннова, М. Г. и др. // М.:ГУП

65. Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2000-374 с.

66. Марченко О. В. Анализ эффективности производства водорода с применением ветроэнергетических установок и его использования в автономной энергосистеме / О.В. Марченко, B.C. Соломин // Альтернативная энергетика и экология 2007 — №3 - С. 112-118.

67. Марченко О. В. Вероятностный анализ экономической эффективности ветроэнергетических установок / О. В. Марченко, С. В. Соломин // Энергетика. Известия РАН. 1997 - №3 - С. 52-60.

68. Марченко О. В. Исследование экономической эффективности использования энергии ветра и водорода в автономных энергосистемах / О. В. Марченко, С. В. Соломин // Известия академии наук. Энергетика, 2008 №3 - С. 43-51.

69. Марченко О. В. Математическая модель с возобновляемыми источниками энергии / О. В. Марченко // Известия академии наук. Энергетика. 2006. - №3. - С. 154-161.

70. Минин В. А. Перспективы освоения ресурсов ветровой энергии Кольского полуострова / В. А. Минин, Г. С. Дмитриев, И. В. Минин // Энергетика 2001. - №4 - С. 45-53.

71. Мисриханов М. Ш. О технико-экономическом сравнении вариантов электроустановок при проектировании / М. Ш. Мисриханов, К. В. Мозгалев, Б. Н. Неклепаев, А. В. Шунтов // Электрические станции. -2004.-№2-С. 2-8.

72. Михайлин А. Б. Современные системы бесперебойного питания / А. Б. Михайлин // Академия энергетики. 2008. - №6 - С. 66-72.

73. Новожилов М. А. Выбор параметров ветроэнергетической установки / М. А. Новожилов, С. В. Соломин // Электрические станции 1994 -№8-С. 46-48.

74. Окороков В. Р. Математические модели и методы системных исследований в энергетике / В. Р. Окороков, Е. В. Востоков // Учеб. пособие. Л.: ЛПИ- 1987. - 88 с.

75. Основные положения (концепция) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 года // Новое в Российской электроэнергетике 2008. - №8 - С. 5-20.

76. Основные положения (концепция) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 года // Новое в Российской электроэнергетике 2008. - №9 - С. 5-13.

77. Официальный сайт органов местного самоуправления Таймырского Долгано-Ненецкого муниципального района Электронный ресурс. -режим доступа: http://www.taimyr24.ru/index.php Загл. с экрана.

78. Перминов Э. М. Мировая ветроэнергетика. Состояние и перспективы развития / Э. М. Перминов // Энергетик. 2008. - №2.

79. Перминов Э. М. Состояние и перспективы мировой энергетики. / Э.М. Перминов // Энергетик. 2005. - №7. - С. 32-34.

80. Попель О. С. Исследование и разработка систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии: Автореф. дис. докт. техн. Наук. М., 2007 - 59 с.

81. Природа России и СССР. Справочная информация Электронный ресурс. режим доступа: http://www.ecosystema.ru/ - Загл. с экрана.

82. Природа в России Электронный ресурс. режим доступа: http://www.priroda.ru/ - Загл. с экрана.

83. Природа Алтая Электронный ресурс. — режим доступа: http://www.geo.alt.ru/ — Загл. с экрана.

84. Расписание погоды Электронный ресурс. режим доступа: www.rp5.ru - Загл. с экрана.

85. Решетов Д. Н. Надежность машин / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В. 3. Фадеев / М., «Высшая школа», 1988 238 с.

86. Саламов А. А. Развитие ветроэнергетики в США / Саламов А. А. // Энергетик, 2008 №12 - С.25-26.

87. Сербии А. В. Эффективность использования ветроэнергетических установок мегаваттного класса в Донбассе / О.В: Чеботарева, A.B. Сербии // Вестник национальной академии строительства и архитектуры, 2009 -№2-С. 81-85.

88. Сидоров В. И., Кузнецов. Об использовании ветроэнергетических ресурсов / В. И. Сидоров, Mi В. Сидоров // Известия академии наук СССР. Энергетика.и транспорт. №3 - 1980. - С. 73-82.

89. Состояние и перспективы возобновляемой энергетики в России // Электрика 2004. - №5 - С. 16-25

90. Старков А. Н. Атлас ветров России / А. Н. Старков, JI. Ландберг, П. П. Безруких, М. М. Борисенко // М.: «Можайск-Терра», 2000 г. 560 с.

91. Сурков М. А. Соотношение мощностей ветро- и дизельгенератора в гибридной ветродизельной системе / М. А. Сурков // ХНГ международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - С.116-118.

92. Тремясов В. А. Надежность электроснабжения: учеб. пособие / В. А.

93. Удалов С. Н. Возобновляемые источники энергии::Учебник / С.Hi Удалов- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 432 с.

94. Федоров М. И. Искусственные:возобновляемые источники энергии / М.П. Федоров // Известия академии наук. Энергетика, 2009 — №2 С. 6—9.109;' Фокин Ю. А. Оценка надежности систем электроснабжения / Фокин

95. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием! возобновляемых источников : Учеблюсобие / Л. А, Саплин и др. // Подобщ:, ред. ,д-ра техн.наук,проф. Л;А.Саплина. Челябинск : ЧГАУ, 2000.- 194 е. . '

96. Юсупов Р. X. Определение энергетических показателей дизель-электрических установок с учетом их динамических характеристик / Р: X*. Юсупов // Известия академии наук. Энергетика 1998. — №1 - С. 163 -167.

97. Roger Hill. Wind turbine reliability Электронный ресурс. Sandia National Laboratories, USA. — режим доступа: http://cwec.ucdavis.edu/forum2006/proceedings/HillCWEC2006.pdf. - Загл. с экрана.

98. Tavner P. J. Reliability analysis for wind turbines / P. J. Tavner J. Xiang, F. Spinato // Wind Energy Journal. Volume 10, Issue 1, July 12, 2006

99. Wind Turbines Today. Enhanced Reliability with Dataforth Signal Conditioners Электронный ресурс. - режим доступа: http://www.dataforth.com/catalog/pdf/WindTurbinesToday.pdf - Загл. с экрана.