автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Исследование эффективности использования энергетических комплексов на основе возобновляемых источников энергии для зарядки электротранспорта

'Ж

На правах рукописи

Шуркалов Петр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ОКТ 2014

Москва, 2014 г.

005553420

Работа выполнена на кафедре «Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

кафедры «Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Тягунов Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, заместитель

генерального директора «Института энергетической стратегии» Минэнерго России

Безруких Павел Павлович

Кандидат технических наук, генеральный директор ООО «СОЭНТЕ» Дорошин Александр Николаевич

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-

исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства»

Федерального агентства научных организаций

Защита состоится «21» ноября 2014 г. в аудитории Г-200 в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17,2 этаж, корпус «Г».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный Совет «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 3 » октября 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы

С каждым годом количество проданных в мире электромобилей и гибридных электромобилей'растёт. За 2012 год в мире было продано около 120 тысяч таких транспортных средств, а к 2020 году прогнозируется, что доля электротранспорта составит порядка 10% от общего количества автомобилей (на сегодняшний день эта доля составляет менее 0,02%). В результате столь интенсивного внедрения электромобилей в повседневную жизнь возникает потребность в соответствующей зарядной инфраструктуре, а именно в сетях зарядных станций и/или станций замены аккумуляторных батарей (АКБ).

Сегодня в мире развитие инфраструктуры станций подзарядки электротранспорта, работающих от электрической сети, ведётся довольно большими темпами. Из упомянутых выше двух типов станций наибольшее распространение получили зарядные станции, количество которых уже превышает 50 тысяч. Что касается станций замены АКБ, то их сейчас всего несколько, однако со временем эта ситуация должна измениться. Кроме этого сравнительно недавно во многих странах мира начали появляться зарядные станции, работающие от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а именно - от энергии солнца и ветра. Общее количество таких станций в мире уже насчитывает несколько сотен штук.

Энергоснабжение станций подзарядки электротранспорта от ВИЭ в настоящее время весьма актуально, в первую очередь при учёте экологических факторов. Так, при подзарядке на сетевых станциях, которых сейчас большинство, эффект от снижения уровня выбросов за счёт замещения автомобилей электромобилями частично компенсирует ростом выбросов тепловых электростанций (ТЭС), обеспечивающих рост мощности этого нового типа потребителей. Таким образом получается, что электрические транспортные средства способствуют улучшению экологической обстановки только в тех районах, где они используются, тогда как в районах, где расположены ТЭС, напротив, наблюдается рост загрязнения атмосферы. Станции, работающие от генерирующих установок на основе ВИЭ, такого недостатка практически лишены, так как в этом случае электроэнергия, необходимая для их работы, вырабатывается с использованием местных экологически чистых энергоресурсов (энергии солнца, ветра и др.). Кроме этого энергетические комплексы, включающие в себя установки на основе ВИЭ, зарядные станции и/или станции замены АКБ позволяют эффективно экономить ископаемое топливо за счёт замещения вырабатываемой на ТЭС электроэнергии для зарядки электротранспорта.

Помимо экологической и топливной составляющих использование энергокомплексов на основе ВИЭ и станций подзарядки позволяет также повысить энергобезопасность и энергонезависимость энергорайонов страны. С точки зрения энергобезопасности строительство таких комплексов привнесёт в энергобаланс этих районов и. регионов ещё один или несколько новых объектов генерации электроэнергии на основе ВИЭ. В случае выхода из строя традиционных объектов генерации (электростанций, дизельных электроустановок и др.) или объектов передачи и распределения электроэнергии, комплексы на основе ВИЭ смогут снабжать электроэнергией не только станции подзарядки электромобилей, но и другие объекты. В свою очередь для районов, удалённых от линий электропередачи (ЛЭП) комплексы на основе ВИЭ позволят снизить зависимость от поставок ископаемых видов топлива.

Следует отметить, что в мире данной теме посвящено значительное количество исследований. Более того, как уже было упомянуто, за рубёжом уже действует значительное количество зарядных станций на основе ВИЭ. В России таких зарядных станций пока нет. Следовательно, проведение исследований эффективности использования ВИЭ для энергоснабжения станций подзарядки электротранспорта на территории России, а также создание методики проектирования соответствующих комплексов в части обоснования их структуры и параметров является актуальным.

Цель диссертационной работы:

- исследование эффективности использования специализированных гибридных энергетических комплексов (ГЭК) на основе возобновляемых источников энергии для питания зарядных станций или станций замены аккумуляторных батарей средств электрического транспорта;

разработка методики оптимизации структуры и параметров ГЭК для энергоснабжения зарядных станций или станций замены АКБ средств электрического транспорта и оценка эффективности их использования в разных регионах России.

Основные задачи исследований

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

1. Проанализировать принципы работы зарядных станций и станций замены АКБ средств электрического транспорта и существующие методики их математического моделирования;

2. Разработать математическую модель ГЭК, включающего в себя генерирующие электроустановки на основе солнечной и ветровой энергии, работающие параллельно с электрической сетью и на автономного электропотребителя, и зарядные станции или станции замены АКБ средств электрического транспорта;

3. Исследовать влияние состава и параметров исследуемого ГЭК на режимы его работы;

4. Разработать методику и основанный на ней аппарат технико-экономического обоснования структуры и параметров ГЭК на основе ВИЭ для подзарядки средств электрического транспорта;

5. Оценить эффективность использования генерирующих установок на основе ВИЭ для энергоснабжения станций подзарядки средств электрического транспорта для различных потребителей в различных регионах России и разработать рекомендации по определению оптимальной структуры типовых энергетических комплексов на основе станций подзарядки и ВИЭ.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны математические модели зарядных станций и станций замены АКБ средств электрического транспорта, имитирующие работу этих станций в разных условиях эксплуатации;

2. Разработана математическая модель ГЭК, включающего в себя генерирующие электроустановки на основе солнечной и ветровой энергии, типовые аккумуляторы или аккумуляторные батареи электромобилей для накопления избыточной электроэнергии и зарядные станции или станции замены АКБ средств

электрического транспорта с резервированием энергоснабжения от электрической сети или дизельных электроустановок (ДЭУ);

3. Показано влияние состава и параметров исследуемого ГЭК на режимы его работы и эффективность его использования;

4. Разработаны методика экономического обоснования структуры и параметров ГЭК на основе ВИЭ для подзарядки средств электрического транспорта и рекомендации по использованию установок на основе ВИЭ для энергоснабжения разных типов зарядных станций и станций замены АКБ на территории России.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические модели зарядных станций и станций замены АКБ средств электрического транспорта;

2. Математическая модель ГЭК, включающего в себя генерирующие электроустановки на основе ВИЭ и зарядные станции или станции замены АКБ средств электрического транспорта;

3. Методика экономического обоснования структуры и параметров ГЭК на основе ВИЭ для подзарядки средств электрического транспорта;

4. Результаты исследования влияния состава и параметров ГЭК на основе станций подзарядки и ВИЭ на режимы его работы;

5. Результаты исследования эффективности и рекомендации по использованию установок на основе ВИЭ для энергоснабжения разных типов зарядных станций и станций замены АКБ средств электрического транспорта на территории России.

Достоверность полученных результатов основана на корректном использовании известных верифицированных методик и. математических моделей отдельных элементов ГЭК, опубликованных в открытых отечественных и зарубежных источниках.

Личный вклад автора заключается в следующем:

разработаны математические модели зарядных станций и станций замены АКБ разных типов;

- разработана математическая модель ГЭК на основе станций подзарядки и ВИЭ, позволяющая производить расчёт режимов работы ГЭК с разным составом оборудования и расположенных в разных регионах России;

разработана методика обоснования состава и параметров ГЭК, предназначенного для зарядки средств электрического транспорта;

- проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены их результаты, позволившие сформулировать выводы и разработать рекомендации по определению структуры ГЭК с использованием установок на основе ВИЭ для энергоснабжения зарядных станций и станций замены АКБ разных типов для различных регионов России.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанной методики и рекомендаций для определения параметров ГЭК на ранних стадиях проектирования, а также для оценки размещения ГЭК со станциями подзарядки средств электрического транспорта в разных регионах России.

Апробация работы

Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Восьмая научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» (ФГБОУ ВПО «МГУ имени М.В. Ломоносова», 2012 г.), Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», 2013 г.); на научных семинарах и заседаниях кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» («Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии») ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Публикации

По основным результатам диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 2 в рекомендованном ВАК России издании.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и 5 приложений.

Работа изложена на 166 страницах основного текста, содержит 134 рисунка, 63 таблицы и 79 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе рассматриваются вопросы влияния состава и параметров гибридных энергетических' комплексов на основе возобновляемых источников энергии, включающих в себя разные типы зарядных станций или станций замены аккумуляторных батарей, на режимы работы и оценки эффективности ГЭК. Основное внимание уделяется разработке методики оптимизации структуры и параметров ГЭК, а также исследованию эффективности использования таких комплексов на территории России.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана оценка новизны и практической значимости полученных результатов.

Первая глава включает обзор современного состояния и прогнозов развития отрасли электрических транспортных средств и зарядной инфраструктуры. Отмечена роль электромобилей и их станций подзарядки в мире, рассматриваются, существующие на сегодняшний день типы станций подзарядки, приведены оценки распределения количества электрических транспортных средств и зарядных станций по странам мира, дан аналитический обзор исследований и научных работ, посвящённых этой области.

На сегодняшний день в мире эксплуатируется более 300 тысяч электромобилей и гибридных электромобилей. Лидирующие позиции по количеству электротранспорта занимают: США с количеством электромобилей, превышающим 150 тыс. единиц, Япония - более 60 тыс. и Китай - около 40 тыс. Более подробно распределение числа электромобилей по странам мира показано на рисунке 1.

Страны, где количество электромобилей не превышает 3000, на диаграмме объединены в категорию «Остальные страны».

Рисунок 1 - Распределение количества электромобилей и гибридных электромобилей по странам мира.

Для комфортной эксплуатации электромобилей необходима соответствующая зарядная инфраструктура, которая должна включать в себя ряд элементов, основными из которых являются станции обслуживания электрических транспортных средств. Сегодня существует два типа таких станций, принципы работы которых кардинальным образом отличаются друг от друга, а именно: зарядные станции и станции замены АКБ.

Зарядные станции представляют собой электротехническое устройство, оснащённое необходимыми для подключения электромобилей разъёмами и коннекторами. Это устройство позволяет производить зарядку электромобилей в различных режимах, и по типу такие станции подразделяются на станции переменного тока и постоянного тока. Первые позволяют зарядить электромобиль за 4-14 часов в зависимости от ёмкости аккумуляторной батареи. Время зарядки от станции постоянного тока составляет 15-40 минут. Станции замены АКБ представляют собой небольшое строение, оснащённое средствами замены, зарядки и хранения аккумуляторов. На таких станциях производится замена разряженного аккумулятора электромобиля на заряженный. Процесс замены АКБ занимает менее 5 мин.

На современном этапе развития отрасли в мире уже установлено и эксплуатируется большое количество зарядных станций и лишь несколько станций замены АКБ. Последние есть пока только в Японии, Израиле, Дании, Австралии, Китае и Голландии. Что касается зарядных станций, то лидирующее положение по их количеству занимают США - более 15000 станций, далее Китай - более 8000 станций, и Япония - около 5000. Более подробно распределение количества зарядных станций по странам мира показано на рисунке 2. Страны, где количество станций не превышает 2000, на диа1рамме объединены в категорию «Остальные страны».

Все вышеупомянутые станции подзарядки пока являются сетевыми, т.е. они работают от электроэнергетической системы, однако сравнительно недавно во многих странах мира начали появляться зарядные станции, работающие от ВИЭ. По сравнению с обычными зарядными станциями таких станций пока не так много, но из тех, что имеются, наиболее широкое распространение получили зарядные станции, работающие от энергии солнца. Значительное количество солнечных зарядных

2%

■ США Япония Китай

^ Франция » Норвегия » Голландия ¡|| Германия

Великобритания 1: Канада

■ Остальные страны

станций сейчас расположено в США и в Германии - в сумме порядка нескольких сотен штук. Также несколько таких станций имеется в Японии, Италии, Великобритании и Иордании. Помимо солнечных зарядных станций в мире существуют ещё и станции, работающие от энергии ветра, но, к сожалению, их пока всего несколько штук. Что касается станций замены АКБ, работающих от ВИЭ, то таких станций в мире не существует.

С Недавних пор в России таюке начали появляться электромобили и соответствующая инфраструктура. Пока строительство станций подзарядки ведётся только в Москве и Московской области (МО), но со временем они могут появиться и в других регионах страны. Так, на сегодняшний день в Москве и МО эксплуатируется около 1000 электромобилей и 42 зарядные станции. Все зарядные станции являются сетевыми, а ведь Россия располагает большим потенциалом ВИЭ, чью энергию можно было бы использовать для подзарядки электрических транспортных средств. К тому же, согласно Энергетической стратегии-2030, развитие возобновляемой энергетики в стране является актуальным как для локальных электроэнергетических систем, так и для районов, охваченных сетью централизованного электроснабжения.

В связи со сказанным, актуальным также является:

разработка методики оптимизации структуры и параметров ГЭК на основе станций подзарядки электротранспорта и ВИЭ. Такая методика должна основываться на математических моделях элементов этих ГЭК;

проведение исследований в части обоснования эффективности использования таких комплексов в различных регионах России.

Вторая глава посвящена математическим моделям элементов ГЭК. В этой главе описываются:

виртуальная модель - структурно-функциональная модель комплекса, включающая в себя все возможные элементы ГЭК;

ресурсная модель - представляет собой динамическую модель поступления энергоресурсов;

техническая модель - конкретные технические решения, позволяющие реализовать функцию, определённую в структурно-функциональной модели;

экономическая модель - позволяет оценить экономическую реализуемость проекта.

Рисунок 2

■ США Китай

¡а Япония

Дания и Голландия ■' Австрия £ Великобритания ¡¡! Германия ;> Норвегия ¡5= Франция

■ Остальные страны

- Распределение количества зарядных станций по странам мира.

В работе виртуальная модель ГЭК представлена структурно-функциональной схемой (см. рисунок 3). Данная схема получена в результате анализа структуры и принципов работы существующих на сегодняшний день зарядных станций и станций замены АКБ (как сетевых, так и работающих от ВИЭ), и актуальна для ГЭК, включающих один из этих типов станций подзарядки.

вэу

ГЭУ ^

ДЭУ

Сеть V_У

и др.

ФЭУ и ДР.

-В-

ИЛИ-1--'+

сн

I

ЗУ1 ЗУ2

или--|---

I

Рисунок 3 - Виртуальная модель ГЭК: ВЭУ - ветроэлектрическая установка, ГЭУ - гидроэлектрическая установка, ДЭУ - дизельная электрическая установка, ФЭУ - фотоэлектрическая установка, ММ - устройство отбора максимальной мощности, АКБ - аккумуляторная батарея, СН - собственные нужды ГЭК, ЗУ - зарядное устройство, ЭМ - электромобиль.

В струетурно-функциональной схеме основными генерирующими элементами ГЭК являются установки, работающие от ВИЭ. Так как использование таких установок затруднено отсутствием у них возможности обеспечения гарантированного энергоснабжения, то для преодоления этого недостатка в схеме присутствуют аккумуляторы энергии, а именно типовые аккумуляторы для зарядных станций и аккумуляторы электромобилей для станций замены АКБ. Помимо этого надёжность электроснабжения также обеспечивается за счёт наличия резервных источников питания: электрической сети и отдельных ДЭУ. Станций подзарядки электромобилей в схеме не обозначены, а показаны лишь их основные элементы, а именно: зарядные устройства, с помощью которых осуществляется подзарядка АКБ электрических транспортных средств, и, в случае со станциями замены, некоторое количество АКБ электромобилей, которое необходимо для нормальной работы станций.

Ресурсная модель в работе представлена математическими моделями прихода ресурсов ВИЭ (энергия солнца и ветра), которые в свою очередь основаны на использовании:

швейцарской базы данных о местных ресурсах «Мйеопогт». Эта база данных позволяет получить для любой точки на поверхности Земли среднемесячные, среднесуточные и среднечасовые значения прихода солнечного излучения (СИ) на горизонтальную площадку и скорости ветра на высоте 10 м (Кл(г)) за период в

1 год;

известных методик пересчёта прихода СИ на приёмную площадку, расположенную под оптимальным углом (0), и пересчёта скорости ветра по высоте:

в? (0=№№•?)■> м opt, (1)

где i - час года; ß - угол наклона приёмной площадки к горизонту; у - азимут приёмной площадки.

VHM)-y^)\Hjhr, (2)

где VH (г) - скорость ветра на высоте башни ВЭУ, м/с; Нб - высота башни ВЭУ, м; h - высота флюгера, равная 10 м; от - степенной показатель.

Техническая модель ГЭК содержит основные зависимости, которые отражают связь выходной мощности с мощностью входного (ресурсного) потока, а также учитывает различные технические решения по построению отдельных установок, входящих в состав ГЭК. Так технические модели солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) и ветроэлектрической установки (ВЭУ) представлены широко известными зависимостями:

= Э» (г) -FCM'm-T- Псм ■ Кз™. ■ к< ■ Vw, (3)

где Э£г (/) - суммарный приход СИ на приёмную площадку, расположенную под оптимальным углом наклона к горизонту ß, с азимутом у, Вт-ч/м2; FCM - площадь солнечного модуля (СМ), м2; т - количество СМ, шт.; г - коэффициент светопропускания защитного покрытия СМ, o.e.; г]см - номинальный КПД СМ, o.e.; К3ап - коэффициент заполнения солнечными элементами всей площади СМ, o.e.; К, - коэффициент,, учитывающий влияние температуры СМ на его КПД, o.e.; N -определяет собой потери мощности при последовательном соединении СМ.

aw(0=/W0). №

Техническая модель ДЭУ в диссертационной работе представлена её рабочей мощностью. Что касается технических моделей потребителей, в роли которых выступают станции подзарядки электрических транспортных средств, то зарядные станции представляются графиками энергопотребления (графиками нагрузки), а станции замены АКБ - графиками энергопотребления и графиками поступления разряженных аккумуляторов на станции. При этом такое различие в моделировании объясняется разными принципами работы рассматриваемых типов станций.

Графики энергопотребления определяются суточным спросом на подзарядку, ёмкостью АКБ обслуживающихся электромобилей и собственными нуждами (СН) станций. Для того чтобы получить такие графики в работе используются данные по крупнейшим зарубежным проектам внедрения зарядной инфраструктуры - проектам «ChargePoint America» и «The EV Project». Отчёты по этим проектам содержат разнообразную информацию, в частности - какая доля электромобилей в какое время

суток подзаряжается на станциях определённого типа (пример такой информации см. на рисунке 4).

Изменяя количество электромобилей, которое должно обслуживаться на станциях подзарядки за сутки, и комбинируя эти значения с графиками, пример которых представлен на рисунке 4, были построены зависимости количества заряжающихся электромобилей от времени суток и количества разряженных аккумуляторов, поступивших на станции замены АКБ, от времени суток. На основе полученных зависимостей были сформулированы несколько типов станций подзарядки, а именно: ночная зарядная станция, дневная зарядная станция, станция замены АКБ для таксопарка электромобилей, станция замены АКБ для автопарка промышленного предприятия, станция замены АКБ для автопарка зоны отдыха и полностью автономная станция замены АКБ. Данные типы зарядных станций и станций замены АКБ между собой отличаются количеством электромобилей, которое они могут обслужить за сутки, а также тем, на какое время суток приходится пик спроса на подзарядку.

Скомбинировав графики зависимостей количества заряжающихся электромобилей и поступивших разряженных АКБ от времени суток с информацией о ёмкости АКБ электромобилей, которые будут обслуживаться на рассматриваемых станциях, и информацией об энергопотреблении СН этих станций, для каждого из выделенных типов станций подзарядки были построены необходимые графики нагрузки. Пример такой информации представлен на рисунке 5.

Экономическая модель ГЭК, предназначенная для оценки основных показателей экономической эффективности проекта, в работе основана на «Методических рекомендациях по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования».

Рисунок 4

Будний день

Время суток Время суток

- Доля подзаряжающихся электромобилей на ночной (слева) и дневной (справа) зарядной станции в зависимости от времени суток.

Будний день

Будний день

Будний день

У1 &РЧ,*- Va'-Л'- Ч"4-'C- v: Ч1^4°Ч^'VК~

Время суток

■■:■ * Н- <=•

Время суток

ИПодзарядка АКБ электромобилей Е Различная нагрузка собственных нужд

Рисунок 5 - График поступления разряженных АКБ на автономную станцию замены АКБ (слева) и график нагрузки этой станции (справа).

Третья глава посвящена разработке на основе рассмотренных во второй главе математических моделей элементов ГЭК общей математической модели ГЭК. Основное внимание здесь уделяется алгоритмам, которые позволяют связать все рассмотренные математические модели и описать режимы работы комплекса.

В. целом все алгоритмы, приведённые в данной главе, по типу можно разделить

на:

- алгоритмы, описывающие режимы работы комплексов с зарядными станциями;

~ алгоритмы, описывающие режимы работы комплексов со станциями замены АКБ.

В случае с ГЭК, включающими в себя зарядные станции, режимы работы этих комплексов можно в упрощенном виде описать следующим алгоритмом.

В зависимости от того, какое количество АКБ (пАКЕ) имеется в составе ГЭК, возможны два варианта режима работы: 1. При и^ =0:

NCeJt) =

Ргж ^Преобр. ' Лит. ПРЫ ^ГЭК № И не. ВИЗ \) ' V Преобр. >

0 при Рпк

(t)h И не. V Преобр.

(5)

где PnK(t) - график нагрузки комплекса, кВт; Nm3(t) - мощность, вырабатываемая установками на основе ВИЭ, кВт; NCemu(t) - мощность, потребляемая ГЭК из электрической сети, кВт; г)Преа6р и т]Ит - КПД преобразователя и инвертора соответственно, o.e.

2. При «да >0:

2.1. Если мощности ВИЭ недостаточно для выполнения баланса мощности, т.е. РгэЛУчи,«. > Квиэ(?)-17Преобр., тогда:

Х.„(0=

Ит. ~ ^ВИЗ (')' ^Лрсобр >

Ггэк (') - {Хвиэ (/) ■ г,П!Х0бр + (г )) • 7и»; пРи (г) < Р^к {¡)1г]Им - (6) - N ВИЗ (г) ■ т]Прес6р

где (г) - мощность, которую может выдать АКБ, кВт.

2.2.

^,„(0=0. (7)

Для ГЭК, включающих в себя станции замены АКБ, их режимы работы можно в упрощенном виде описать следующим алгоритмом.

В зависимости от количества АКБ в составе ГЭК, возможны два варианта режима работы комплекса:

пакб~пакб> гДе "акб ~ минимально допустимое количество АКБ. Минимально допустимое количество АКБ — это такое количество полностью заряженных, аккумуляторов электромобилей, которое постоянно должно быть доступно на станции замены АКБ для возможности её нормальной работы. В этом случае:

¡л - \Ргэк ^ ~ Ивю ^'11 при Рпк ^ > Мвиз ^' ^преоср;

= приР^Ы^)-^. 14

пакб > пакб ■ Здесь возможны следующие варианты работы ГЭК:

2.1. Мощности ВИЭ недостаточно как для выполнения баланса мощности, так и для энергоснабжения СН комплекса, т.е. (/) > МНИЭ (/) ■ т]ПраЛр и мсн (') > ХВИЭ (0. Т}пре0бр , где Ысн (г) - энергия на СН ГЭК, кВт:

- Если количества полностью заряженных аккумуляторов на станции достаточно и для удовлетворения спроса на замену АКБ, и для энергоснабжения СН ГЭК, то:

- Если количества заряженных аккумуляторов недостаточно для энергоснабжения СН комплекса, то тогда недостающая часть нагрузки СН снабжается электроэнергией из сети:

. Нс-Ь)-Хсн(')-хвю(1)-пПрт6р.(9)

где п^^С) - количество частично разряженных АКБ, шт.; (() - количество

АКБ, которые можно использовать для энергоснабжения СН ГЭК, шт.; Л^^Г -текущий уровень заряда АКБ, кВт; - полная энергия АКБ, кВт-ч.

- Если количества полностью заряженных аккумуляторов недостаточно для удовлетворения спроса на замену АКБ, то тогда энергия из сети используется не

только для энергоснабжения СН комплекса, но также и для подзарядки необходимого для нормальной работы станции замены количества АКБ:

"сн^-ХвиэЬУчп^г. -"Ч^Бтра,р-(')• ЛГ2Г(') + (0• ^АКЕ. (10) где п3^ (г) - количество заряжающихся АКБ, шт.;

2.2. Рпх(')>^виэ(()-1пр.сер., а ИЛИ

Ргэк (') - ^ВЮ (')' Чпробр. '•

Если количества заряженных АКБ на станции достаточно для

удовлетворения спроса на замену АКБ, то тогда:

0- . Если количества полностью заряженных аккумуляторов недостаточно для удовлетворения спроса на замену АКБ, то тогда избыточная энергия ВИЭ, а также энергия из сети, используются для подзарядки разряженных АКБ:

Л Преобр. ^

<ХСН (О+иЙМ-^хи; (")

0 при ИВИЭ (г) • г}Лреф. > ИСИ (/) + п%Б (/) •

В дальнейшем разработанные алгоритмы были использованы для создания общей математической модели ГЭК и соответствующего прототипного программного обеспечения.

В четвёртой главе разрабатывается методика обоснования состава и параметров элементов ГЭК, приводится описание проведенных численных экспериментов, анализируются полученные результаты, приводятся общие выводы и даются рекомендации по использованию на территории России энергетических комплексов, включающих в себя установки на основе ВИЭ и зарядные станции или станции замены АКБ.

В соответствии с поставленной задачей были разработаны программы расчёта режимов работы ГЭК и оценки их экономической эффективности. Программы основываются на математических моделях и алгоритмах, рассмотренных в главах 2 и 3, и имеют модульную структуру, что позволяет изменять, модернизировать и при отсутствии необходимости не использовать отдельные их элементы. В целом процесс расчёта режимов работы ГЭК и их экономических показателей с помощью разработанного программного обеспечения можно представить следующей укрупнённой блок-схемой.

Рисунок 6 - Принципиальный алгоритм выбора структуры и параметров ГЭК.

Согласно приведенному на рисунке 6 укрупнённому алгоритму в работе был произведён расчёт режимов работы нескольких ГЭК с разным составом оборудования, расположенных в разных регионах России. Полученные результаты позволили:

оценить влияние состава оборудования комплекса на энергопотребление из сети или выработку дизельных электростанций (ДЭС);

определить оптимальное с точки зрения минимума сетевого энергопотребления или экономии дизельного топлива количество оборудования разного типа.

Пример результатов расчёта режимов работы ГЭК в графическом виде

представлен на рисунке 7.

Экономическая оценка эффективности каждого из рассмотренных вариантов ГЭК в работе осуществлялась на основе результатов двух исследований, где критерием эффективности являлось максимальное положительное значение чистого дисконтированного дохода (ЧДЦ). В ходе первого исследования для ГЭК, имеющих подключение к электрической сети, изменялись тарифы на сетевую электроэнергию, а для автономных ГЭК изменялась стоимость дизельного топлива. В результате оказалось, что для того, чтобы ГЭК на основе ВИЭ стали более эффективны, чем ГЭК, работающие только от сети, тарифы на электроэнергию должны вырасти более чем в 2 раза, что в ближайшее время маловероятно.

о I .... I .... I .... I.........I .... 1

0 250 500 750 1000 1250 1500

Кол-во аккумуляторных батарей на станции, шг.

1 -500 СМ-- 1000СМ-- 2000 СМ --- 5000СМ -0СМ~|

Рисунок 7 - ГЭК с дневной зарядной станцией. Зависимость энергии, потребляемой комплексом из электрической сети за год, от количества солнечных модулей и АКБ.

Иначе обстоит дело с автономными ГЭК, работающими от ветроэлектростанций (ВЭС) - по результатам расчётов было установлено, что такие комплексы уже сейчас вполне могут составить конкуренцию ГЭК, энергоснабжение которых осуществляется только от ДЭС, и даже быть более эффективны. Так, для комплексов, расположенных на значительном удалении от населённых пунктов и ЛЭП (стоимость дизельного топлива с учётом доставки превышает 100 руб./л), ВЭС становятся эффективными уже при среднегодовой скорости ветра 3-3,5 м/с. В свою очередь для менее удалённых от ЛЭП районов ГЭК на основе ВЭС становятся актуальными при среднегодовой скорости ветра не менее 4,5 м/с.

Другим способом оценки экономического эффекта применения ГЭК на основе ВИЭ, включающих в свой состав разные типы станций подзарядки, являлось сравнение стоимости электрозарядки со стоимостью заправки бензином автомобилей. Для этого в ходе расчётов изменялась величина тарифа на продаваемую потребителям электроэнергию, что позволило определить для каждого из рассмотренных вариантов ГЭК такую стоимость электроэнергии, при которой бы эти комплексы окупались в течение расчётного периода в 20 лет. Пример результатов расчёта в графическом виде см. на рисунке 8.

Представленные на рисунке 8 зависимости соответствуют местности с наименьшими значениями среднегодового прихода СИ (125 Вт/м ) и среднегодовой скорости ветра (2,5 м/с) из рассмотренных в работе. Таким образом, для ГЭК, расположенных в других регионах страны, стоимость продаваемой электроэнергии может оказаться меньше. Зона окупаемости ГЭК на рисунке соответствует значениям ЧДЦ>0. Причём, чем больше значение ЧДД, тем меньше срок окупаемости комплекса. Равенство ЧДД пулю в свою очередь соответствует сроку окупаемости в 20 лет.

I-Сеть--СФЭС-— ВЭС— -СФЭС и ВЭС |

Рисунок 8 - Зависимость ЧДЦ от стоимости продаваемой электроэнергии для ГЭК, основное энергоснабжение которого осуществляется либо от сети, либо от СФЭС, либо от ВЭС и т.д.

Для легковых автомобилей расход топлива на 100 км пробега составляет порядка 8-10 л, что эквивалентно стоимости в 250-315 руб. для бензина А-95 и около 260-320 руб. для дизельного топлива. В свою очередь, электромобили типа Nissan Leaf, согласно тестам Агентства по охране окружающей среды США, потребляют 21 кВт-ч на 100 км пробега. Гибридные электромобили типа Chevrolet Volt на 160 км пробега потребляют 39 кВт'ч. В пересчёте на 100 км это соответствует энергопотреблению в 23 кВт-ч. Таким образом, было установлено, что затраты на электроэнергию:

1. на зарядной станции, работающей от централизованной сети, составляют порядка 80-120 руб., на станции, работающей от СФЭС - 330-400 руб., от ВЭС - 105240 руб., от комплекса СФЭС и ВЭС - 350-510 руб.;

2. на станции замены аккумуляторных батарей, работающей от централизованной сети, составляют порядка 110-130 руб., на станции, работающей от СФЭС - 245-350 руб., от ВЭС - 120-225 руб., от комплекса СФЭС и ВЭС - 255445 руб.;

3. на автономной станции замены АКБ, работающей от ДЭС, составляют около 510 руб., на автономной станции, работающей от СФЭС - 805-865 руб., от ВЭС - 425-655 руб., от комплекса СФЭС и ВЭС - 745-1000 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа принципов работы современных станций подзарядки разработаны математические модели зарядных станций и станций замены . АКБ средств электрического транспорта, имитирующие работу этих станций в разных условиях эксплуатации. Разработанные модели станций включены в математическую модель ГЭК;

2. Разработана математическая модель ГЭК, включающего в себя генерирующие электроустановки на основе солнечной и ветровой энергии, типовые АКБ или АКБ электромобилей и зарядные станции или станции замены АКБ средств

электрического транспорта с резервированием энергоснабжения от электрической сети или ДЭС;

3. Исследование влияния состава и параметров ГЭК на режимы его работы показало, что:

для энергоснабжения потребителей электроэнергии выгоднее использовать малое количество электроустановок с большой установленной мощностью, чем большое количество установок с маленькой установленной мощностью;

в составе ГЭК, имеющих подключение к электрической сети, наиболее эффективно с точки зрения снижения сетевого энергопотребления использовать станции подзарядки, пик энергопотребления которых приходится на вечернее-ночное время суток;

для ГЭК с подключением к электрической сети, включающих станцию подзарядки и работающих от ВИЭ или только от сети, наибольшее снижение сетевого энергопотребления (для ГЭК, работающих только от сети - днём) наблюдается при количестве АКБ, изменяющимся от 0 до 500 шт. для зарядной станции и от минимально допустимого количества до 50 АКБ для станции замены АКБ;

для автономных ГЭК, включающих станцию замены АКБ и работающих от СФЭС и ДЭС или только от ДЭС, количество АКБ на станции должно быть минимальным;

для автономных ГЭК, включающих станцию замены АКБ и работающих от ВЭС и ДЭС, оптимальное количество АКБ может изменяться в диапазоне от минимально допустимого количества до 50 АКБ;

4. Разработанная методика обоснования состава и параметров ГЭК реализована в виде программ, написанных в программной среде Microsoft Office Excel. Программы имеют модульную структуру и включают в себя математические модели элементов ГЭК, что позволяет изменять, модернизировать и при отсутствии необходимости не использовать отдельные элементы ГЭК;

5. Сравнение стоимости подзарядки АКБ электромобиля со стоимостью заправки бензином автомобиля для районов с централизованным электроснабжением показывает, что:

ГЭК, работающие от ВЭС и включающие зарядную станцию, эффективны при среднегодовой скорости ветра от 2,5 м/с. Подзарядка электромобилей от зарядной станции в этом случае будет дешевле (от 105 до 240 руб.), чем заправка автомобилей (250-315 руб.);

- ГЭК, работающие от СФЭС и включающие зарядную станцию, эффективны при среднегодовом приходе СИ от 190 Вт/м2. Стоимость подзарядки от зарядной станции (около 330 руб.) здесь почти эквивалентна заправке автомобиля (315 руб.);

- ГЭК, работающие от ВЭС или СФЭС и включающие станцию замены АКБ, эффективны при среднегодовой скорости ветра или среднегодовом приходе СИ от 2,5 м/с и от 125 ВтЛг соответственно. Стоимость подзарядки АКБ в этом случае может составлять 120-225 руб. и 245-350 руб.;

ГЭК, работающие одновременно и от ВЭС, и от СФЭС, эффективны при среднегодовой скорости ветра или среднегодовом приходе СИ от 2,5 м/с и от 125 Вт/м2 соответственно, но только в том случае, если они, во-первых, включают в себя станцию замены АКБ, а во-вторых, работают на объекты с большим автопарком

(более 100 замен АКБ в сутки). Стоимость электрозарядки здесь может изменяться от 255 до 315 руб.;

Для районов, удалённых от ЛЭП, автономные ГЭК,.работающие от ВЭС и включающие станцию замены АКБ, могут быть более эффективны, чем ГЭК, работающие только от ДЭС, уже при среднегодовой скорости от 3-4,5 м/с;

6. Разработаны рекомендации по определению оптимальной структуры типовых ГЭК на основе станций подзарядки и ВИЭ, позволяющие представителям малых и средних предприятий оценивать эффективность использования ГЭК в различных регионах страны. Определение мест размещения ГЭК по территории России осуществляется с помощью гео-информационных систем при задании для каждой территории значений валового потенциала ВИЭ.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Тягунов М.Г., Шарапов С. А., Шуркалов П.С. Гибридные энергетические комплексы и алгоритмы управления ими // Вестник МЭИ №4, М.: Издательский дом МЭИ, 2013, с. 64-67;

2. Шуркалов П.С., Тягунов М.Г. Возможности подзарядки электромобилей от установок на основе возобновляемых источников энергии // Вестник МЭИ №5, М.: Издательский дом МЭИ, 2013, с. 61-66;

3. Шуркалов П.С. Инфраструктура зарядных станций для электрических транспортных средств на основе возобновляемых источников энергии // Возобновляемые источники энергии: материалы восьмой научной молодежной школы с международным участием - М.: Университетская книга, 2012, с. 465-469;

4. П.С. Шуркалов, М.Г. Тягунов. Зарядные станции на основе возобновляемых источников энергии // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 4. М.: Издательский дом МЭИ, 2013, с. 308.

Подписано в печать ¿>0Э> Зак. Тир. Ю& П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13