автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Использование энергии возобновляемых источников в комбинированных автономных энергосистемах

Введение.

I. АНАЛИЗ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ РОССИИ.

1.1. Состояние производства и проблемы использования энергии нетрадиционных возобновляемых источников в России.

1.2. Препятствия в продвижении нетрадиционных возобновляемых источников энергии и пути их преодоления.

1.3. Комбинированное использование энергии нетрадиционных возобновляемых источников - эффективный способ автономного энергообеспечения потребителей.

1.4. Постановка задачи исследования.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ В АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

2.1. Комбинированные автономные энергосистемы (КАЭС), работающие на энергии нетрадиционных возобновляемых источников.

2.2. Факторы, определяющие возможности использования энергии возобновляемых источников.

2.3. Базовые принципы построения структурно-функциональных схем комбинированных автономных энергосистем на основе использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

2.4. Основные структурно-функциональные схемы комбинированных автономных энергетических систем НВИЭ.

2.5. Согласование источников энергии и потребителей.

2.6. Фазопереходное аккумулирование в комбинированных автономных энергосистемах с использованием энергии нетрадиционных возобновляемых источников.

2.7. Требования к оборудованию комбинированных автономных энергосистем, преобразующих энергию возобновляемых источников.

III. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ НОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ В КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ.

3.1. Разработка, проектирование и изготовление опытного образца Стир-линг-генератора для автономной гелиоэнергетической установки.

3.1.1. Обоснование, выбор и описание базовой конструкции Стирлинг-генератора в соответствии с задачей.

3.1.2. Предварительный расчет рабочего процесса и выбор размерности двигателя Стерлинга.

3.1.3. Обоснование работоспособности и ресурсных показателей некоторых основных деталей Стирлинг-генератора.

3.1.4. Расчеты напряженно-деформационного состояния и оценка ресурса деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

3.1.5. Анализ жесткостных характеристик коленчатого вала двигателя.

3.1.6. Расчет энергетического баланса Стирлинг-генератора.

3.1.7. Основные конструкционные материалы, нашедшие применение при изготовлении Стирлинг-генератора.

3.2. Использование двигателя Стирлинга в комбинированных автономных энергосистемах.

3.3. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на продуктах переработки возобновляемых ресурсов.

3.4. Проект установки для получения биотоплива для дизельных транспортных и стационарных машин.

3.5. Ветроэнергетическая установка со спиральными лопастями и области ее применения.

3.6. Электрическая обратимая машина для комбинированных автономных энергетических систем.

3.7. Проект комбинированной автономной энергосистемы жилого дома в сельской местности.

3.8. Требования к материалам, применяемым в конструкциях и деталях оборудования НВИЭ.

IV. ПРОБЛЕМА ПРОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КОНСТРУКЦИЯХ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

4.1. Материалы, применяемые при конструировании деталей и узлов оборудования систем НВИЭ, и требования к ним.

4.2. Основы прикладной методики расчета режимов термоциклической обработки железо-углеродистых сплавов и схема алгоритма решения задачи.

4.3. Примеры эффективности применения термоциклирования к некоторым деталям двигателей, применяемых в комбинированных автономных энергосистемах.

Дальнейший прогресс человечества зависит от решения двух самых насущных проблем.

Первую можно сформулировать так: нефти и газа на Земле по разным оценкам осталось на несколько десятилетий, угля на несколько столетий. Определить точнее эти числа нельзя из-за трудности оценки запасов минерального топлива и темпов роста потребности в нём общества. Однако остается несомненным главное: энергетические резервы иссякают настолько быстро, что откладывать решение этой проблемы даже на столетие недопустимо.

Не менее, а, может быть и более актуальна вторая проблема - экологическая. Выбросы в атмосферу тепловых электростанций (ТЭС) содержат в большом количестве оксиды серы, азота, углерода, а выхлопные газы автомобилей -ещё и соли тяжелых металлов. Всё это исключительно вредные вещества для окружающей среды и здоровья человека. Огромное количество золы и шлака (18-20% от исходной массы угля) является причиной засорения воздуха пылью, а также требует отчуждения под золоотвалы больших по площади территорий, весьма дефицитных в плотно заселенных районах.

Особенно пристальное внимание в настоящее время уделяется двуокиси углерода - С02, выбрасываемой в атмосферу ТЭС и транспортом. Концентрация вредных веществ в воздухе многих городов часто во много раз превосходит допустимые пределы. Избежать этого явления при главенствующих в наше время в энергетике технологиях, увы, нельзя, так как высокая эффективная очистка выбросов и удаление золы на большие расстояния весьма дорогостоящие и делают нерентабельным, производство энергии и эксплуатацию транспорта.

Учитывая, что нефть и газ являются еще ценнейшим химическим сырьем, налицо насущная необходимость переключения потребителей на возобновляемые источники энергии (солнечная радиация, ветер, течение рек, морские волны, течения и приливы, глубинное тепло земли и тепло морей и океана, биотопливо и др.). Всё это требует создания соответствующих новых технологий и новых научных разработок.

В настоящее время есть все предпосылки для качественного скачка в области энергетики, так как тот факт, что будущее за нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ) давно не вызывает сомнения. Преимущество их, прежде всего, в экологической чистоте. Недостаток - в дороговизне освоения (использования), и это основной тормоз в их развитии.

К числу серьезных факторов, препятствующих развитию НВИЭ, с полным основанием можно отнести относительно низкий уровень существующих цен на мировых рынках органического топлива и высокие удельные капитальные затраты на преобразование энергии НВИЭ. Сказанное имеет прямое отношение и к России, где низкая стоимость разработки богатых ресурсов нефти и газа и искусственно заниженные цены на энергоносители в условиях хронических неплатежей за них, безусловно, не способствуют использованию НВИЭ. Кроме больших капитальных затрат, экономическая эффективность использования НВИЭ снижается длительностью сроков строительства, высокой степенью риска по причине зависимости от природного фактора и отсутствием уверенности как в надежности и зрелости имеющихся технологий, так и в месте НВИЭ в будущем балансе потребления энергетических ресурсов. Поэтому проекты по НВИЭ для оправдания больших рисков требуют, как правило, инвестиций, выдаваемых под более высокие проценты, что в свою очередь приводит к удорожанию генерируемой тепловой или электрической энергии.

По мнению комитета ООН по нетрадиционной энергетике, изложенному в докладе за 1995 г., основными барьерами на пути рыночного проникновения НВИЭ (в первую очередь в сельских местностях) являются также недостаточная покупательная способность местного населения и нехватка финансовых ресурсов местных властей или правительства стран для инвестирования объектов инфраструктуры. Сказывается также отсутствие программ социального, экономического и энергетического развития сельских районов в среднесрочной и долгосрочной перспективе, в рамках которых могли бы решаться проблемы освоения НВИЭ.

В целом следует признать, что очевидные преимущества установок, работающих на НВИЭ, такие как неисчерпаемость первичных энергоресурсов, отсутствие затрат на топливо и экологическая безопасность, пока не позволяют перевесить чашу весов, находящуюся под грузом технически проработанных и более дешевых методов получения энергии на базе органического топлива, несмотря на практически не оцениваемый пока ущерб, наносимый ими окружающей среде. Приведем несколько примеров.

Электроэнергия, вырабатываемая на одной из крупнейших в Европе демонстрационной солнечной электростанции с установленной мощностью 3,3 МВт, пущенной в 1994 г. в эксплуатацию компанией ENEL в г. Сьерре (Италия), почти в 10 раз дороже электроэнергии, производимой на ТЭС на органическом топливе. Аналогично, стоимость производства электроэнергии, производимой на ветроустановках в Финляндии, в 1,5-2 раза выше, чем на электростанциях, использующих импортируемое органическое топливо. По данным израильских специалистов, являющихся пионерами в использовании солнечных прудов для производства электроэнергии, при среднегодовом коэффициенте использования установленной мощности 73-90%, удельные капитальные затраты на создание электрогенерирующей установки составляют 4500 долл./кВт, что в среднем в два раза выше, чем соответствующие показатели по ТЭС на органическом топливе.

Вместе с тем за последние 10-15 лет в мире был достигнут значительный прогресс в повышении экономичности использования НВИЭ. Так, с 1980 по 1990 гг. средние удельные капитальные затраты на строительство солнечных электростанций создаваемых по технологии компании LUZ, разработанной в Израиле, снизились примерно в 10 раз и продолжают снижаться, а издержки производства электроэнергии на этих станциях сократились за тот же период в 7,5 раз [11].

Конкурентноспособность разных видов энергии определяет многие параметры - стоимость строительства объекта и единицы энергии, удельная стоимость единицы мощности, сроки строительства, быстрота окупаемости, площадь отчуждаемой территории, полный срок эксплуатации и т.д.

На фоне гигантских темпов развития мирового использования НВИЭ, Россия занимает одно из последних мест. Об этом говорит проведенный технико-экономический анализ и, следовательно, представленная диссертационная работа весьма актуальна.

Можно обоснованно предположить, что при современных масштабах технико-экономического отставания Россия не сможет самостоятельно добиться значительных успехов в использовании НВИЭ даже при поддержке государства. Необходима интеграция России в общеевропейский процесс развития использования НВИЭ, активное участие в работе Е\¥ЕА, восстановление разрушенных связей с заинтересованными странами ближнего зарубежья.

В работе [77] выдвинуто целесообразное, на наш взгляд, суждение о том, что на первом этапе широкомасштабного использования НВИЭ в России было бы полезно, в отличие от Европы, отдать предпочтение автономным комбинированным системам. На такой вывод наталкивает ряд проблем при использовании НВИЭ, а именно:

1. низкая плотность, концентрация и случайно-детерминированный характер прихода энергии;

2. необходимость постоянного согласования процессов прихода и потребления энергии, особенно в автономно работающих энергосистемах;

3. несовершенство методов технико-экономического анализа систем энергоснабжения на основе НВИЭ, учитывающих экологические и социальные преимущества. Строительство комбинированных автономных систем малой и средней мощности, использующих НВИЭ, способствовало бы отработке целого ряда научных, технических, экологических и социальных вопросов для последующего перехода к строительству надежного оборудования и конструкций предельной мощности дляНВИЭ.

В этой связи разработка научных основ комбинированного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, относящихся к мировым проблемам научно-технического прогресса, образа и уровня жизни людей на Земле, охраны окружающей среды, является актуальной и своевременной.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью данной диссертационной работы является комплексное изучение и научное обоснование возможностей эффективного использования энергии возобновляемых источников в комбинированных автономных энергосистемах (КАЭС) и разработка новых технических и технологических решений при создании нового высокоэффективного оборудования для реализации таких систем.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

- выполнен анализ и дана оценка современного состояния и технического уровня оборудования и технологий использования энергии нетрадиционных возобновляемых источников в мире и РФ;

- разработаны базовые принципы проектирования и технико-экономического обоснования КАЭС;

- разработаны основные функциональные схемы автономных энергосистем, действующих на основе комбинированных нетрадиционных источников энергии;

- разработан, спроектирован и реализован в действующем образце Стир-линг-генератор для комбинированной автономной энергоустановки;

- разработан, спроектирован и реализован в действующем образце двигатель внутреннего сгорания, работающий на продуктах переработки возобновляемых ресурсов;

- разработана, спроектирована и выполнена в действующем образце ветроэнергетическая установка со спиральными лопастями;

- разработан, спроектирован и реализован в действующем образце бесколлекторный генератор на постоянных магнитах для КАЭС;

- разработан, спроектирован и реализован в действующей модели бесколлекторный электродвигатель для гибридного автомобиля;

- разработан проект стационарной установки для получения биотоплива;

-обоснованы и сформулированы рекомендации по повышению надежности, прочности и долговечности материалов ответственных узлов и деталей, применяемых в оборудовании и конструкциях для преобразования энергии возобновляемых источников;

- разработан проект экспериментальной комбинированной автономной энергосистемы на основе новых энергетических установок для частных (индивидуальных) потребителей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ заключается в следующем:

- впервые проведено комплексное, с учетом потенциальных энергетических ресурсов, экологических проблем, энергодефицитности и пр., изучение и научное обоснование возможностей использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии с целью обоснования технических решений для разработки и создания высокоэффективного оборудования, которое способствует комплексным технологиям в обеспечении эффективного согласования и выравнивание потоков возобновляемой энергии с потребителями;

- выполнен анализ патентно-информационной документации в области использования НВИЭ в России и за рубежом, позволивший выявить тенденции в разработке технических решений, которые легли в основу создания ветросиловой установки со спиральными лопастями;

- впервые в России спроектирован и реализован в действующих образцах Стирлинг-генератор для КАЭС мощностью до трех кВт;

- впервые в мировой практике разработан и реализован в работающем образце (на базе двигателя ГАЗ) двигатель внутреннего сгорания, функционирующий на продуктах переработки возобновляемых ресурсов,

- при разработке элементов оборудования и конструкций установок для преобразования возобновляемых источников энергии впервые использован си-нергетический подход к вопросам повышения прочности, долговечности и надежности материалов.

Новизна результатов подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.

Личный вклад автора определяется разработкой новых подходов к использованию энергии нетрадиционных возобновляемых источников в комбинированных автономных энергосистемах, обоснованием и реализацией технических решений по созданию и проектированию высокоэффективных установок для преобразования энергии возобновляемых источников, теоретических основ повышения эксплуатационных характеристик материалов оборудования и конструкций для преобразования энергии возобновляемых источников.

Практическая значимость диссертации состоит в использовании рекомендаций автора на стадии предпроектных и проектных проработок энергосистем децентрализованного энергоснабжения, позволяющих повысить конкурентноспособность и экономическую эффективность данных систем на основе преобразования энергии возобновляемых источников, что крайне важно для улучшения экологической и социальной обстановки, особенно в энергодефицитных регионах страны. Она также состоит в практическом применении установок, разработанных автором, немецкими фирмами - GP Konstruktions und Management AG&Co.KG и Motor Technik Innovative Engineering (MOTOS KG)

Новые технологии термического упрочнения - ТЦО, разработанные автором могут быть широко использованы для упрочнения углеродистых, легированных сталей и композитных материалов для совершенствования структуры и свойств сварных соединений, нашедших широкое применение при изготовлении энергетического оборудования для К АЭС.

Высокоэффективное оборудование, разработанное автором для преобразования энергии нетрадиционных возобновляемых источников должно внести определенный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, республиканских, международных европейских семинарах, конференциях, симпозиумах, а также отраслевых семинарах и конференциях: Europäisches Stirling Forum 1992 (Osnabrück, 1992); Europaisches Sterling Forum 1994 (Osnabruk, 1994); 6th International Stirling Engine Conference 1993 (Eindhoven, 1993); Europaisches Stirling Forum 1996 (Osnabrück, 1996); Europaisches Stirling Forum 1998 (Osnabrück, 1998 ); 7th International Conference on Stirling Cycle Machines ICSC'95 (Tokyo, 1995); Europaisches Stirling Forum 2000 (Osnabrück, 2000); 10th International Stirling Engine Conference ISEC'2001 (Osnabrück, 2001); European Wind Energy Conference and Exhibition 2001 (Munich, 2001); Международная научно-техническая конференция "Научные проблемы энергетики возобновляемых источников" (Самара, 2000); Международная научно-техническая конференция "Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона" (Улан-Уде, 2001); Международный семинар "Российские технологии индустрии", "Возобновляемые источники энергии" (С.-Петербург, 2001); Международный семинар "Энергетика в современном мире" (Чита, 2001); Отраслевая научно-техническая конференция "Прогрессивные процессы в чугунолитейном производстве" (Ленинград, 1972); Межотраслевая научно-техническая конференция "Надежность и долговечность металлических материалов для машиностроения и приборостроения: (Ленинград, 1972); Всесоюзное научно-техническое совещание "Термоциклическая обработка металлических материалов" (Ленинград, 1980); Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение эффективности использования машин в строительстве" (Ленинград, 1980); Всесоюзная научно-техническая конференция "Термоциклическая обработка металлических изделий" (Москва, 1982); Доклады Академии Наук СССР "Физика пластической деформации и упрочнения поверхностного слоя металлов" (Москва, 1982); Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение качества надежности и долговечности изделий из конструкционных жаропрочных, порошковых, и инструментальных сталей и сплавов" (Москва, 1984); Всесоюзная научно-техническая конференция "Термоциклическая обработка деталей машин с целью увеличения их эксплуатационных характеристик" (Волгоград, 1981); Всесоюзная научно-техническая конференция "Интенсификация производства и качества машиностроительной продукции за счет применения конструкционных сталей с улучшенными технологическими свойствами" (Челябинск, 1987); Всесоюзный научно-технический семинар "Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов" (Ленинград, 1990); 11ьш Всесоюзный симпозиум РАН СССР по перспективным металлическим материалам "Новые технологии получения и свойства металлических материалов" (Москва, 1991).

По теме диссертации автором опубликовано 2 монографии, 56 статей, получено 3 авторских свидетельства на изобретение, 3 патента. автор выражает глубокую признательность и благодарность академику РАН, д.т.н., профессору Ю.С. Васильеву за постоянную поддержку в работе, д.т.н., профессору В.В. Елистратову за ценные советы и консультации по проблемам энергетики, а также коллективу кафедры ВИЭГ за замечания и советы при обсуждении диссертации на научных семинарах.

I. АНАЛИЗ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ РОССИИ

1Л. Состояние производства и проблемы использования энергии нетрадиционных возобновляемых источников в России

Важной чертой существующей энергетической системы России является её высокая централизация. В стране имеется сравнительно небольшое число крупных угольных, нефтяных и газовых месторождений, которые обеспечивают почти всю добычу органического топлива в стране. Разветвленная сеть газопроводов распределяет природный газ между главными промышленными центрами страны. Практически все города и значительная часть деревень присоединены к линиям магистрального газа.

Около 90% общего количества электроэнергии производится крупными (в диапазоне нескольких гигаватт) электростанциями на органическом топливе, гидравлическими и атомными, которые выдают электроэнергию в разветвленную сеть, образованную мощными высоковольтными линиями электропередачи. Практически все города и деревни присоединены к электрическим сетям, так что около 87% населения страны получают электроэнергию централизованно.

Теплоснабжающая система в России также высоко централизована. В больших городах теплоснабжение и горячее водоснабжение осуществляется от работающих на органическом топливе ТЭЦ или от квартальных котельных. Только в малых городах и деревнях существуют индивидуальные отопительные системы, использующие природный газ, пропан-бутан, уголь, угольные брикеты или дрова.

Однако значительная часть обширной территории России с малой плотностью населения ещё не присоединена к централизованным энергетическим системам. В соответствии с оценками, около 10 млн. населения, живущих в северных территориях, на Дальнем Востоке и в некоторых других регионах страны, не присоединены к электрическим сетям. Они получают электроэнергию в основном от автономных дизель-генераторов небольшой мощности. Необходимое для этого топливо завозится из далеко расположенных центров автотранспортом, водными путями, а иногда даже авиацией, что делает это топливо чрезвычайно дорогим. Но более существенно то, что эти поставки не всегда надежны, зависят от погодных условий, исправности и наличия транспортных средств и предоплаты. То же относится и к топливу для отопления, поскольку многие регионы не имеют собственных местных источников топлива. В то же время с учетом суровых климатических условий надежные поставки топлива являются жизненно важными.

Анализ показывает, что полное количество энергии, производимой за счет НВИЭ, в общем энергетическом балансе страны сегодня чрезвычайно мало. Даже для 2010 г. Энергетическая Стратегия предусматривает, что лишь 1% от общей энергии будет производиться за счет НВИЭ. В то же время потенциал НВИЭ в России чрезвычайно велик (табл. 1.1) [164].

Таблица 1.1

Ресурсы нетрадиционных возобновляемых источников энергии в России, ПДж/год

Нетрадиционные возобновляемые Валовый Технический Экономический источники энергии потенциал потенциал потенциал

Солнечная энергия 69-Ю6 69-Ю3 ' 375

Ветровая энергия 780-Ю3 60-Ю3 300

Энергия биомасс ЗОО-Ю3 1,6-103 1050

Энергия малых рек 11-Ю3 3,75-Ю3 1950

Геотермальная энергия — — 3450

Низкопотенциальное тепло 16-Ю3 ЗД5Т03 945

ВСЕГО 70-Ю6 137-Ю3 8070 -ПДж = 1015 Дж

Возникает вопрос, будет ли доля НВИЭ в энергетическом балансе страны увеличена и что для этого необходимо сделать?

Очевидно, что экономике страны на достаточно продолжительный период не угрожает истощение запасов органического топлива. Однако столь же очевидно, что стоимость этих топлив будет возрастать.

Одним из факторов, действующих в пользу НВИЭ, является ожидаемое повышение стоимости энергии от обычных источников, которое будет приводить к повышению экономической конкурентоспособности НВИЭ.

Другой не мало важной составляющей является осознание необходимости уделять больше внимания охране окружающей среды. Ясно, что в ближайшие годы законодательство, регулирующее требования к восстановлению ландшафтов, допустимые объемы вредных выбросов, будет ужесточаться. Чтобы удовлетворить этим требованиям, потребуется дополнительные инвестиции. Нарушение этих законов будет наказываться дополнительными налогами и штрафами, что вновь приведет к постепенному росту стоимости "обычной" энергии. Даже сейчас имеются курортные зоны, где использование установок, работающих на органическом топливе, полностью запрещено. Очевидно, что чаща весов вполне может склониться в сторону НВИЭ, если стоимость мер по охране окружающей среды будет включена в стоимость "обычной" энергии.

Увеличение надежности энергоснабжения для упомянутых 10 млн. людей не имеющих доступа к системам централизованного энергоснабжения, также является стимулом для использования местных НВИЭ.

В пользу применения НВИЭ складывается и сегодняшняя экономическая ситуация в России. Прогнозы роста экономики весьма неопределенны. Следовательно, ненадежны прогнозы будущих потребностей в энергии. В то же время известно, что энергетическая отрасль чрезвычайно инерционна. Для уменьшения риска, связанного с неопределенностью прогнозов, целесообразно вводить новые мощности постепенно, малыми частями. А это как раз и является отличительной чертой установок, использующих НВИЭ.

То же справедливо для современной тенденции к децентрализации энергоснабжения. Частные или кооперативные установки, использующие НВИЭ, могут в ряде случаев оказаться выгоднее децентрализованных систем, использующих органическое топливо.

Необходимость разработки новых, более совершенных, надежных и недорогих установок для использования НВИЭ безусловно является актуальной. При существующих относительно низких ценах на обычные топлива НВИЭ в большинстве случаев оказываются экономически неконкурентноспособными. Поэтому необходимы предложения, направленные на снижение стоимости оборудования для НВИЭ, повышение его надежности и срока эксплуатации. Для этого требуются дополнительные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Одна из государственных программ "Топливо и Энергия" и её часть "Экологически чистая энергетика", которую координирует Министерство промышленности, науки и технологии РФ, включает направление "Нетрадиционная энергетика", в основном посвященное проблемам НВИЭ.

Программа, посвященная энергосбережению и внедрению НВИЭ, разработана и поддерживается также Министерством энергетики РФ. Здесь создан фонд по энергосбережению, из которого могут финансироваться НИОКР в области НВИЭ.

Нетрадиционная энергетика является одной из проблем, разрабатываемых РАО ЕЭС России, которое объединяет практически все энергосистемы страны. В настоящее время РАО поддерживает ряд проектов в области НВИЭ.

Имеется также ряд частных компаний, которые без государственной поддержки разрабатывают и производят различные установки, использующие НВИЭ.

В рамках этих программ был успешно завершен ряд проектов. В частности:

1. Были разработаны усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и компактные водонагревательные установки с характеристиками, соответствующими лучшим образцам, имеющимися на международном рынке. Ряд промышленных предприятий начал их производство либо в виде головных образцов, либо серийно (Ковровский механический завод, НПО "Машиностроение", НПО Бион-Энерготем, НПО "Конкурент", завод "Даггелиомаш")

2. Разработаны и изготавливаются рядом малых предприятий различные типы сушилок (с камерными коллекторами, с концентраторами излучения), использующие солнечную радиацию для сушки сельскохозяйственных продуктов (сена, зерна, фруктов, овощей, табака и др.).

3. Производятся различные типы солнечных фотоэлектрических элементов, модулей и установок (в основном для применения в сельской местности) с мощностью от десятков Вт до нескольких кВт (ВИЭСХ, компании "Муссон", "Солнечный ветер", НПО "Машиностроение"). Солнечные батареи на основе аморфного кремния производит российско-американское предприятие "БОУЬАХ". Они предназначены для зарядки аккумуляторов, для подъёма воды, для питания электроизгородей, бытовых электроприборов и т.п.

4. Разработаны и серийно производятся малые автономные ветросиловые установки с мощностями в диапазоне от долей кВт до нескольких кВт (Ассоциация "Энергобаланс-Совена", завод "Ветроэнергомаш", Производственное объединение "Приборостроение", АО "Молинос", НПО "Азимут", НПО "Энергия" и др.).

5. Предпринимаются усилия, направленные на разработку больших ветроэнергетических установок (ВЭУ) для автономной работы и работы на сеть в диапазоне мощностей от 100 кВт до 1 МВт. В предыдущие годы украинским НПО "Южное" совместно с российской ассоциацией "Ветроэн" была разработана ВЭУ мощностью 250 кВт. Несколько десятков таких агрегатов установлено в различных регионах России. Осуществляется их опытная эксплуатация с целью накопления данных по их работоспособности и надежности. Разработка ВЭУ мощностью 1 МВт осуществлена НПО "Радуга" в соответствии с одной из конверсионных программ. Первая такая ВЭУ установлена в Калмыкии и проходит стадию освоения.

19

6. Некоторые ВЭУ разрабатываются и изготавливаются в рамках международных проектов. Ассоциация "Энергобаланс - Совена" и немецкая компания Н8,\¥ совместно разработали и организовали производство ВЭУ мощностью 30 кВт. Десять таких ВЭУ установлены в Ростовской области и находятся в стадии экспериментальной эксплуатации. Российско-нидерландское предприятие "Компания ЛМВ ветроэнергетика" производит серию автономных ВЭУ мощностью от 1,1 до 10 кВт.

7. Разработаны и изготавливаются рядом предприятий установки различного масштаба для анаэробного сбраживания сельскохозяйственных отходов. Установки производят биогаз и экологически чистые удобрения. Институт ВИЭСХ разработал биогазовую установку для малых фермерских хозяйств и установку для фермы на 30 голов крупного рогатого скота. На сегодня в ряде ферм крупного рогатого скота работает около 20 достаточно больших биогазовых установок.

Центр "ЭКОРОС" разработал индивидуальную биогазовую установку г

ИБГУ-1, перерабатывающую в день 50-200 кг органических отходов и произвоI дящую 2,5-12 м биогаза, а также экологически чистых удобрений.

8. ТОО "Энерготехнология" разработало и производит серию пилотных установок для термохимической газификации древесных и других твердых органических отходов. Создан ряд установок мощностью от 100 кВт до 3 МВт. .

9. Ряд частных российских компаний: АО "Мосинтергеотерм", "Наука", "Геотерм" при поддержке Научного-учебного центра по геотермальной энергии при Московском энергетическом институте разработали на некоторых предприятиях ("КТЗ", "ЗиО", "ЧЗЭМ" и др.) производство модульных геотермальных электро- и теплостанций. В настоящее время в России организовано производство "под ключ" модульных ГеоГЭС мощностью от 0,5 до 20 МВт (электростанция) и геотермальных установок теплоснабжения мощностью 6-20 МВт (тепловая станция) Около 10 таких установок изготовлено и отправлено на Камчатку и Курильские острова.

10. Разработаны и изготавливаются несколько типов малых ГЭС. Институт ВИЭСХ разработал и приступил к изготовлению транспортабельной свободно-поточной ГЭС мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен ватт. АО "ИНСЕТ", Ленинградский металлический завод, малое предприятие "Кеб-рен", завод "Энергозапчасть" и ряд других предприятии производят рукавные микро-ГЭС в диапазоне мощностей в несколько десятков киловатт, которые могут работать при напорах от 10 до 50 м. Пилотные наплавные ГЭС производятся компанией с ограниченной ответственностью "НИСТЕН" и НПО "Ком-пактэнерго".

11. Большой интерес представляют созданные и создаваемые демонстрационные объекты, использующие НВИЭ. В частности в Краснодарском крае создана "солнечная деревня", энергоснабжение которой осуществлено на фотоэлектрических модулях; в Дагестане - ветрополигон "Дубки", где проходят испытания ветроустановок различных типов. При Курской АЭС построен энергобиологический комбинат, который использует сбросовое тепло АЭС для рыбо-разводных прудов, обогрева теплиц и открытого грунта. При Владимирской птицефабрике создаётся комплекс по переработке птичьего помета. Строится ряд демонстрационных объектов, включающих различные НВИЭ и демонстрирующих преимущества от их комбинированного использования.

12. На побережье северных и восточных морей России имеются места с благоприятными условиями для сооружения приливных электростанций (ПЭС). Известно, что ПЭС являются весьма капиталоемкими сооружениями и в современных условиях средств для их сооружения нет. Однако некоторые предварительные НИОКР по проектам этих ПЭС в настоящее время проводятся при поддержке РАО ЕЭС России.

Данный перечень показывает, что работы по совершенствованнию, развитию и внедрению НВИЭ в России продолжаются. Однако некоторые весьма интересные проекты из-за недостатка средств все же были прекращены, либо временно заморожены. В большинстве случаев это проекты, направленные на создание достаточно крупных пилотных объектов. Среди них: ВЭУ мощностью 100 и 250 кВт, солнечная электростанция мощностью 1,5 МВт, состоящая из параболоидных концентраторов с двигателями Стерлинга и фотоэлектрической части, работающей на концентрированной солнечной радиации, двухкон-турная ГеоГЭС мощностью 2-3 МВт с обратной закачкой отработавшего геотермального флюида и др.

Следовательно, страна располагает не только значительными ресурсами НВИЭ, но и принципиальной возможностью их использования. В ряде случаев необходимое для этого оборудование уже производится отечественной промышленностью. Имеются ниши, где НВИЭ оказывается уже сегодня конкурентоспособным с альтернативными возможностями энергоснабжения, однако темп коммерциализации НВИЭ все ещё далек от удовлетворительного.

Выводы по разделу 4

1. С целью снижения веса конструкций, себестоимости, при сохранении надежности и долговечности изделий из железоуглеродистых сплавов, разработаны теоретические предпосылки для создания новых технологий структурооб-разований (термоциклическая обработка), в основе которых лежат полиморфные превращения в нестационарных динамических условиях, достигаемых путем циклической накачки энергии в результате скоростных нагревов и охлаждений. При этом, впервые в области термической обработки, железоуглеродистый сплав рассматривается как открытая система, обменивающаяся веществом и энергией с окружающей средой. В этих условиях при фазовых переходах происходит самоорганизация диссипативных структур, оказывающих определяющее влияние на конечную микроструктуру высокопрочного чугуна и распределение лигирующих элементов и примесей.

2. Предложено рассматривать термоцикличесую обработку железоуглеродистых сплавов как нелинейный энергетический процесс термической обработки, состоящий из ветвей нагрева и ветвей охлаждения, подобных в термодинамическом смысле энерговоздействия. Начальные и граничные условия данного процесса ТО рассматриваются как подобные с таким дополнением, что конечные условия предыдущей ветви являются начальными условиями последующей ветви.

3. Нелинейность в поведении железоуглеродистых сплавов при ТЦО предложено учитывать с использованием приближения потоков - явно нестационарными кооперативными элементами механизмов многократного энергетического воздействия. Движение вакансий, дислокации и других дефектов, трактуемое как движение сфер деформаций, описывается в термодинамической модели потоками вещества с соответствующими градиентами, также как поток тепла градиентом температуры.

4. Показано, что большие значения градиентов температур не могут существовать в ЖУС длительное время из-за высокой скорости распространения тепла внутри сплава, следовательно, температура при ТЦО становится характеристикой сугубо локальной, что является принципиальной отличительной чертой метода данной термической обработки от ранее развитых изотермических способов ТО сплавов.

5. В результате изучения локального характера температуры при термо-циклировании железоуглеродистых сплавов установлено, что фазовый переход а<=>у превращения может происходить только с границ дефектных кристаллических зон в направлении градиента температуры. Данный вывод хорошо согласуется с "краевым" механизмом фазового перехода, предлагаемым московской школой металлофизиков.

6. Разнообразными стандартными механическими испытаниями образцов и полуфабрикатов из железоуглеродистых сплавов, прошедших ТЦО, установлено (на примере ВПЧ), что в зависимости от температурных условий проведения ТЦО (в области надкритических и межкритичееких температур) их предел прочности при растяжении увеличивается на 50-80%, предел прочности на изгиб - на 40-70% и сопротивление на кручение - на 35-50%, предел текучести -на 50-70%, ударная вязкость - на 80-170%. При этом, как правило, картина вязкого излома материала, подвергнутого ТЦО, резко отличается от фрагментов излома материалов, не прошедших ТЦО, своей "волокнистостью", подтвержденной специальными электронно-микроскопическими исследованиями.

7. Установлено, что при использовании ТЦО усталостная прочность повышается в среднем на 40-75%, износостойкость - на 150-220%, кавитационная стойкость - на 250-600%. Указанные эффекты повышения эксплуатационных свойств объясняются структурно-морфологическими изменениями в ВПЧ, как следствие применения ТЦО, способствующей направленному развитию процессов полиморфных превращений и гомогенизации фрагментов структуры

190

ВПЧ, что хорошо подтверждено также такой интегральной оценкой, как определение декремента собственных колебаний материала.

8. Разработана инженерная методика расчета режимов ТЦО железоуглеродистых сплавов в зависимости от требований по условиям эксплуатации изделий из них. Разработанная методика реализована на ЭВМ, что позволяет автоматизировать как процессы решения задач оптимизации режимов ТЦО в каждом конкретном случае применения деталей из сплавов на основе железа в машиностроении, так и автоматизировать собственно процессы ТЦО. Инженерная методика расчета режимов термической обработки и результаты ее апробации в условиях машиностроительных предприятий позволили разработать методические рекомендации по оценке технико-экономической эффективности ТЦО железоуглеродистых сплавов, в соответствии с которыми в качестве нижней границы технико-экономической эффективности применения ТЦО в машиностроении является оценка в 80-200 руб. на один кг массы изделия.

V. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ КОМБИНИРОВАННЫХ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

5.1. Критерии финансовой эффективности инвестиций

Сравнение различных инвестиционных проектов КАЭС (или вариантов проекта) и выбор лучшего из них автор рекомендует производить с использованием следующих основных критериев: чистый дисконтированный доход (ЧДД) или интегральный эффект (Эинт) (другое название: приведенная или чистая современная стоимость), внутренняя норма доходности (ВНД) (другое название: внутренняя норма прибыли), индекс доходности (ИД) (другое название: индекс прибыльности).

Чистый дисконтированный доход равен разности между текущей стоимостью потока будущих доходов или выгод и текущей стоимостью будущих затрат на осуществление, эксплуатации и технического обслуживания проекта на протяжении всего срока службы.

ЧДД и наиболее общий критерий, показывающий доходы собственников капиталов за весь жизненный цикл инвестиционного проекта

0 (1 + Ь) где ^ - суммарные результаты (выгоды или доходы), достигаемые на 1-ом шаге расчета; 31 - затраты, осуществляемые на том же шаге; Е - норма дисконта, равная приемлемой для инвестора норме дохода на капитал; Т - горизонт расчета (равный номеру шага расчета, на котором производится ликвидация объекта).

В конце Т-ого (последнего) шага должна учитываться условная реализация активов. Если же предусматривается действительная ликвидация производства она должна включаться в проект. Чистая ликвидационная (остаточная) стоимость объекта получается в результате вычитания расходов по ликвидации из стоимости материальных ценностей, получаемых при ликвидации.

Чистый дисконтированный доход можно рассматривать как текущую стоимость дохода и выгод от сделанных инвестиций. В финансовом анализе рентабельности ЧДД представляет собой текущую стоимость потока чистых доходов инвестора, финансирующего данный проект. Для расчета ЧДД необходимо определить соответствующую учетную ставку, провести дисконтирование потоков выгод и затрат и затем суммировать приведенные значения стоимости. Если сумма дисконтированных стоимостей имеет положительное значение, то чистый дисконтированный доход положителен и проект может рекомендоваться для финансирования. Использование в качестве критерия отбора ЧДД означает, что проект одобряется, если его ЧДД больше или равен нулю для независимых проектов (проекты могут считаться независимыми, если каждый может осуществляться отдельно, не влияя и не нуждаясь друг в друге), т.е. дисконтированные выгоды должны превышать дисконтированные затраты. При исследовании выбора между взаимоисключающими проектами, предпочтение следует отдавать проекту с более высоким (положительным) ЧДД.

Внутренняя норма доходности (ВИД) проекта равна ставке дисконта, при которой суммарные выгоды равны расходам. Другими словами, внутренняя норма доходности соответствует ставке дисконта при которой чистая текущая стоимость равна нулю. Внутренняя норма доходности для инвесторов должна быть по меньшей мере равна ВНД, которую они могут получить от альтернативных инвестиционных вложений с учетом различных степеней риска.

Таким образом, внутренняя норма доходности на инвестиции используется в финансовом анализе в качестве важного критерия, поскольку даёт инвесторам эталон для сравнения с альтернативной стоимостью капитала для этого проекта.

Доход инвестора на земные средства определяется соответствующими кредитными соглашениями и, как правило, представляет собой конкретную процентную ставку, не требующую сложных расчетов. В связи с этим, внутренняя норма дохода определяется только на вложенный акционерный капитал с учетом заданных денежных потоков, связанных с погашением кредитов и выплатой процентов по ним. Компания - получатель кредита, реализующая инвестиционный проект в реальных условиях не может иметь нулевой уставной капитал, поэтому расчеты по определению ВНД со 100% заёмными средствами не имеют смысла. Реальный минимальный уровень собственного акционерного капитала обычно оценивается на уровне 20-30 % от общего объёма инвестиций в проект.

Если расчет ЧДД инвестиционного проекта определяет абсолютную эффективность при некоторой заданной норме дисконта (Е), то ВНД проекта показывает относительную его эффективность и затем сравнивается с требуемой инвестором нормой дохода на вкладываемый капитал. Поскольку ВНД может устанавливать приоритеты, отличные от критерия ЧДД, то ранжирование проектов обычно осуществляется с одновременным использованием этих двух главных критериев. При этом в качестве дополнительных могут использоваться и другие критерии.

Периодом окупаемости называется продолжительность наименьшего периода, по истечение которого накаленный чистый доход становится, и в дальнейшим остаётся, неотрицательным. Период окупаемости в соответствии с заданием на расчет эффективности, обычно исчисляется либо от начала осуществления инвестиций, либо от момента ввода в эксплуатацию основных фондов создаваемого предприятия. При оценке эффективности он, как правило, выступает только в качестве ограничения.

Периодом окупаемости с учетом дисконтирования называется продолжительность наименьшего периода, по истечению которого накопленный чистый дисконтированный доход становится и в дальнейшем остаётся неотрицательным. Одобряются проекты с самым коротким или максимально допустимым сроком окупаемости. Этот критерий не благоприятствует проектам, приносящим большие выгоды в более поздние сроки.

Индекс доходности (ИД) является отношением приведенных выгод к приведенным капитальным вложениям. Существует несколько вариантов этого соотношения. Наиболее часто используется простое отношение всех приведенных выгод ко всем приведенным затратам без учета знака этих величин. Отношение больше единицы указывает на эффективность проекта, так как это отношение просто означает, что ЧДД положительна. Проекты, характеризующиеся более высоким ИД эффективнее, чем проекты с меньшим значением индекса доходности.

Критерий наименьших расходов (или минимума затрат) обычно используют тогда, когда оценка выгод проекта весьма затруднена или ненадежна. В этом случае сравниваются расходы по различным вариантам проекта и останавливаются на варианте, который при наименьших расходах обеспечиваем наибольшие результаты. Например, сравнение стоимости производства единицы энергии позволяет сделать выбор среди конкурирующих источников энергии. При фиксированном значении выгод проекта критерий минимума затрат соответствует критерию максимума ЧДД. Однако, критерий наименьших расходов обычно не используется в качестве единственного при выборе проекта. Применение критериев минимума затрат при выборе среди конкурирующих планов реализации проекта необходимо дополнять информацией, гарантирующей осуществимость проекта.

Сравнение проекта с целью принятия правильных инвестиционных решений является весьма сложной проблемой. Даже после того, как все критерии вычислены, упорядочения проектов по разным критериям могут не совпадать. Решения одобрить или отклонить проект в конечном счете принимаются с учетом общей стратегии планирования развития предприятия, региона или экономики в целом. Непосредственное оценивание связей инвестиционного проекта со средой и условиями его осуществления имеет фундаментальное значение для разработки успешных проектов КАЭС. Независимость или зависимость проектов определяется тем, связаны ли между собой проекты и необходимы ли они друг другу. Два проекта могут считаться независимыми, если каждый каждый может осуществляться отдельно, не влияя и не нуждаясь друг в друге.

Зависимыми считаются проекты, когда один предполагает обязательное осуществление другого. Взаимно исключающие проекты означают, что если осуществляется один проект, то другой осуществляться не может. Кроме того, реализация проектов может происходить в условиях бюджетных ограничений на доступность денег или ресурсов, в условиях, характеризующихся высокой степенью неуверенности в будущем и пр. Проектный анализ предполагает совместное применение критериев ЧДД, ВНД и ИД. В табл. 5.1 приведены соотношения между критериями согласно характеристикам и ограничениям проекта.